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Tantal und Niob Warum zwei feine Pulver das Internet of Things erst möglich machen

Autor / Redakteur: Dr. Melanie Stenzel* / Sebastian Human

Datenkommunikation im Internet of Things, Isolierung von Smartphones, sichere Anwendungen in Smart Cars – all das wäre ohne zwei seltene Erze nicht möglich: Tantal und Niob.

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Für die Vernetzung von Autos, mobile Endgeräte, oder in der Verwaltung riesiger Datenmengen – Tantal und Niob treten oft gemeinsam auf und sind ein wesentlicher Faktor für das Internet der Dinge.
Für die Vernetzung von Autos, mobile Endgeräte, oder in der Verwaltung riesiger Datenmengen – Tantal und Niob treten oft gemeinsam auf und sind ein wesentlicher Faktor für das Internet der Dinge.
(Bild: vierfotografen/Taniobis GmbH)

Zahlreiche Produkte, die uns im Alltag begegnen, basieren auf den seltenen Erzen Tantal (Ta) und Niob (Nb). Was viele nicht wissen: Technischer Fortschritt in den Bereichen Internet of Things, Big Data, Smart Cities oder Connectivity wäre ohne diese hochschmelzenden Metalle undenkbar.

Schneller, kleiner, vernetzter, effizienter: das sind die heutigen Anforderungen an die Digitalisierung. Und diese steigen mit jedem neuen Produkt. Ganz gleich ob in der Mikroelektronik oder im Automotive-Bereich: Letztlich machen zwei Metalle, Tantal und Niob, die Vernetzung von Autos, die Weiterentwicklung mobiler Endgeräte, die Verwaltung riesiger Datenmengen oder auch das Internet der Dinge überhaupt erst möglich. Warum das so ist, zeigen folgende Beispiele.

Die Basis der Datenkommunikation

Im großen Feld des Internet der Dinge müssen Daten transportiert, verarbeitet und gespeichert werden. All diese Prozesse erfordern die speziellen Eigenschaften von Tantal.

Da wäre zum einen die extrem hohe Leitfähigkeit, die das Element aufweist. Zum anderen Tantals Fähigkeit, große Mengen an elektrischer Ladung ohne Verzögerung auf der Oberfläche zu speichern und ebenso schnell wieder freizulassen. Aus diesem Grund ist Tantal für die Elektronikindustrie sehr attraktiv. Für die Datenkommunikation müssen die Übertragungsfrequenzen exakt gefiltert und eingestellt werden. Dies geschieht mit Hilfe von sogenannten SAW-Filtern (surface acoustic wafe filters) basierend auf Niob- und Tantaloxid. Für die Verarbeitung der Daten mit Hochleistungsprozessoren sichert eine sehr dünne, Tantal-haltige Schicht den dauerhaft störungsfreien Betrieb.

Isolierung für Smartphones und Notebooks

Darüber hinaus wird Tantal für Elektrolytkondensatoren mit hoher Kapazität verwendet. Dank seiner hohen dielektrischen Konstante ist Tantal für diese Verwendung prädestiniert. Die Kondensatoren sind für die moderne Mikroelektronik, beispielsweise beim Bau von Mobiltelefonen oder Notebooks, essenziell, weil sie eine extrem hohe Energiedichte aufweisen. Diese Eigenschaft beruht darauf, dass die sehr zuverlässige dielektrische Schicht hauchdünn aufgebaut werden kann. So ist eine Konstruktion sehr kleiner Bauteile möglich, die damit auch den Anforderungen der Miniaturisierung gerecht werden.

Sichere Anwendungen in Smart Cars

Schnelle Endgeräte mit immer kleiner werdenden „Inhalten“ sind heutzutage ein Muss, gerade im IoT-Bereich. Im Jahr 1965 sagte Intel-Mitgründer Gordon Moore voraus, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Computerchip und somit die Leistung von Prozessoren im Abstand von anderthalb bis zwei Jahren bei schrumpfender Größe verdoppeln werden. Bekannt wurde diese Annahme als das Mooresche Gesetz (Moore’s Law).

55 Jahre später nehmen Kondensatoren aus Tantal, die zu Moores Zeiten so groß wie ein Daumennagel waren, die Größe von Sandkörnern an. Das macht sie auch für den Bereich Connected Driving beziehungsweise Connected Cars interessant. Die Kondensatorpulver sind die Basis für mobile und sicherheitsrelevante Anwendungen in vernetzten Fahrzeugen.

Ohne Tantal wird Big Data zu Low Data

Tantal lässt sich sehr gut mit Wolfram und anderen hochschmelzenden Metallen legieren, jedoch bildet es zum Beispiel mit Kupfer keine Legierung. Nichtsdestotrotz ist im IoT-Zusammenhang eine dünne Schicht basierend auf Tantal essenziel, um Kupfer als Leitungsmaterial für schnelle Prozessoren zu ermöglichen. Ohne diese Schicht würden Kupfer-Ionen die Halbleitereigenschaften der Prozessoren zerstören. Die Tantal-Schichten sind nicht nur für die Datenchips erforderlich, sondern auch für Speicherchips wie FLASH Memory und SSDs. Demnach ist der Einsatz von Tantal auch entscheidend für das Trendthema Big Data, denn der rapide Anstieg des weltweiten, kabellosen Datenzugriffs hat eine High-Speed-Datenverarbeitung umso notwendiger gemacht. Sie nimmt auch in Hinblick auf die zunehmenden Tendenzen zum „assisted driving“ bis zum „automous driving“ besonderen Stellenwert ein.

Fazit: Gefragte Pulver

Hohe Schmelzpunkte, hohe Korrosionsbeständigkeit, ausgezeichnete chemische Beständigkeit sowie hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit – aufgrund der einzigartigen intrinsischen Eigenschaften sind Tantal und Niob beziehungsweise Legierungen mit diesen Elementen für eine Vielzahl von Hightech-Anwendungen geeignet. Unter anderem für die chemische Industrie, Supraleiter, den Energiebereich oder Hochtemperaturumgebungen. Und auch das Internet of Things sowie verwandte Anwendungsbereiche könnten sich ohne Tantal und Niob wohl in wesentlich geringerer Geschwindigkeit weiterentwickeln.

* Dr. Melanie Stenzel arbeitet als Director of Marketing bei der Taniobis GmbH.

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