Archiv des Monats: Oktober 2009

Forscher der TU München testen neues Warnsystem an Kreuzungen

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Pressemitteilung der TU München vom 01.10.2009

Für mehr Verkehrssicherheit

Der Verkehr auf Straßenkreuzungen in Innenstädten soll künftig sicherer werden. Mit Sensoren und Sendern verbundene Rechner, die das Verkehrsgeschehen erfassen, können Autofahrer vor drohenden Kollisionen warnen. Wissenschaftler um Professor Fritz Busch am Lehrstuhl für Verkehrstechnik der TU München (TUM) haben jetzt erfolgreich ein solches neu entwickeltes System getestet. Es beobachtet – zum Beispiel oben am Ampelmast befestigt – die Bewegungen von Autos, Radfahrern und Fußgängern und berechnet diese permanent voraus. So erkennt es frühzeitig kritische Situationen und kann an Autos, die mit entsprechenden Empfängern ausgestattet sind, Warnsignale senden.

Die von den TUM-Wissenschaftlern gemeinsam mit der Entwicklungsfirma für Verkehrs- und Datentechnik MAT.TRAFFIC kreierte Software ist ein Beitrag zum europäischen Forschungsprojekt „SAFESPOT“. Dessen Ziel ist die Entwicklung eines Netzes von Sicherheitssystemen in Autos und an Straßen, in dem permanent Daten ausgetauscht werden, die für die Verkehrssicherheit relevant sind. So können sich Autos in Prototypentests längst gegenseitig und ohne Zutun der Fahrer vor rutschigen Straßen, Hindernissen oder Staus warnen, intelligente Straßenschilder und Ampeln wie jene des TU-Lehrstuhls für Verkehrstechnik warnen vor Regelüberschreitungen und Kollisionen.

Dazu erzeugt der an der TU München entwickelte Prototyp IRIS (Intelligent Cooperative Intersection Safety) aus eingehenden Laserscanner-Daten und Funksignalen bereits aufgerüsteter Autos einen virtuellen Überblick über Kreuzung und Verkehrsteilnehmer aus der Vogelperspektive. Obendrein integriert er in diese Menge von Daten, die er miteinander in Beziehung setzt, die aktuellen und bevorstehenden Schaltzustände der Ampelanlage.

Mehr als 50 Partner aus Industrie und Forschung arbeiten am Projekt „SAFESPOT“ mit. In mehreren Teilprojekten werden unter anderem die wirtschaftlichen und rechtlichen Fragen zur Einführung der neuen Kommunikationstechnologien erforscht. Im vergangenen Jahr gab die EU bereits einen Frequenzbereich für die künftige Funk-Kommunikation zwischen Autos und Infrastruktur frei. Er liegt zwischen 5,875 und 5,905 Gigahertz.

Den Prototypen IRIS haben die TUM-Wissenschaftler gemeinsam mit sieben weiteren Kooperationspartnern in den vergangenen Wochen an einer Straßenkreuzung in der Dortmunder Innenstadt getestet. Aufgabe der Partner war unter anderem die Ausstattung von Autos mit entsprechender intelligenter Technik oder die Installation der Sensoren. „Alles hat geklappt. Bei roter Ampel wurden die Fahrer vor dem Überfahren der Haltelinie gewarnt, beim Abbiegen vor herannahenden Radlern und auch vor anderen Autos, deren Tempo und Kurs eine kritische Situation erwarten ließen“, sagt Tobias Schendzielorz, mit dem Projekt betrauter Wissenschaftler am TUM-Lehrstuhl.

Solche Warn- und weitere Kommunikations-Aufgaben sollen die intelligenten Sicherheitssysteme nach dem Wunsch europäischer Verkehrsexperten eines Tages auf allen Straßen übernehmen – vor allem jedoch an Kreuzungen in Innenstädten. Diese sind die wichtigsten Gefahrenpunkte. Etwa ein Drittel aller Unfälle mit Personenschäden ereignet sich hier.

Ein weiterer möglicher Nutzen der Systeme besteht darin, dass sie künftig einen Beitrag für effizienteren Verkehr leisten könnten. So bieten die gewonnenen Detailinformationen über das Verkehrsgeschehen die Möglichkeit, die Datengrundlage für bestehende Steuerungssysteme von Ampelanlagen zu erhöhen und zum Beispiel Rot- und Grünphasen an das Verkehrsaufkommen besser anzupassen. Die Anzahl der Stopps und Wartezeiten mit laufendem Motor ließen sich dadurch reduzieren. „Das ist nicht nur effizient, sondern auch ökologisch sinnvoll“, so Tobias Schendzielorz.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Energieautarke Sensoren fürs Flugzeug

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Oktober 2009

Die Flugzeugwartung soll künftig vereinfacht werden: Sensoren überwachen die Flugzeughülle. Entdecken sie Beulen oder Risse, funken sie dies an eine Überwachungseinheit. Die nötige Energie gewinnen sie aus dem Temperaturunterschied zwischen Umgebung und Innenraum.

Fliegt ein Vogel gegen ein Flugzeug, hat das oft nicht nur für das gefiederte Lebewesen fatale Folgen: Der Aufprall kann die Struktur des Flugzeugrumpfs verformen – es können Spannungen im Material und später Risse entstehen. Künftig sollen Sensoren in der Flugzeughülle solche Schäden frühzeitig aufspüren und die Wartung und Reparatur vereinfachen. Die Sensoren sind leicht – Kabel und Batterien brauchen sie nicht. Die nötige Energie gewinnen sie aus dem Temperaturunterschied zwischen der Umgebung mit etwa minus 20 bis minus 50 Grad Celsius und der Passagierkabine mit etwa plus 20 Grad Celsius. Da man keine Batterien wechseln muss, lassen sich die Sensoren auch an unzugänglichen Stellen anbringen.

EADS Innovation Works leitet das Entwicklungskonsortium. Um die Energieversorgung der Sensoren kümmern sich Forscher des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg. »Wir verwenden thermoelektrische Generatoren, die die Micropelt GmbH zusammen mit uns entwickelt, und adaptieren sie so, dass sie effizient arbeiten«, sagt Dr. Dirk Ebling, Wissenschaftler am IPM. Thermoelektrische Stoffe sind Halbleiter, bei denen ein Temperaturunterschied eine elektrische Spannung hervorruft. Schaltet man viele thermoelektrische Elemente hintereinander, reicht die Energie, um kleine Sensoren zu versorgen -, sowie für eine Funkeinrichtung, die die Ergebnisse der Messungen an eine zentrale Einheit sendet. »Zudem optimieren wir den Wärmefluss«, nennt der Forscher eine weitere Aufgabe. Wie koppelt man den thermoelektrischen Generator so an die warme und kalte Seite an, dass genügend Wärme durch ihn transportiert wird? Um dies zu testen, haben die Wissenschaftler eine Klimakammer eingerichtet, in der das Temperaturprofil des Flugzeugrumpfs nachempfunden ist. Erste optimierte Prototypen existieren bereits. In etwa drei Jahren soll ein Prototyp des gesamten Systems, Sensor, thermoelektrischer Generator, Energiespeicher, Ladeelektronik und Funkmodul, entwickelt sein – damit könnte das System in eine Serienfertigung gehen.

Die Anwendungen für energieautarke Sensoren sind zahlreich: Im Auto könnten sie dabei helfen, Gewicht zu sparen, denn schwere Kabelzuleitungen sind überflüssig. Auch bei der Überwachung von Altbauten sind die Sensoren hilfreich: Sie lassen sich einfach an die Wände kleben, wo sie dann beispielsweise die Feuchtigkeit messen. Selbst im medizinischen Bereich sind sie denkbar: So könnten Sportler etwa ihren Puls über ein in das T-Shirt integriertes Sensorsystem messen oder Hörgeräte ihre Energie aus der Körperwärme beziehen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Mit Antiteilchen auf Fehlersuche

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Pressemitteilung der TU München vom 30.09.2009

Weltweit stärkste Positronenquelle am FRM II in Garching

Die geheimnisvolle Antimaterie ist nicht nur exotisches Beiwerk in Kinofilmen wie „Illuminati“, sondern auch ein faszinierendes Wissenschaftsgebiet. An der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) der Technischen Universität München werden die Antiteilchen von Elektronen gewonnen, die so genannten Positronen, und das in der weltweit höchsten Intensität. Die knapp eine Milliarde Positronen pro Sekunde kommen in der Nano-Materialforschung zum Einsatz: Sie entdecken Fehlstellen im Atomgitter und können dabei einzelne Elemente präzise unterscheiden.

Während Tom Hanks auf der Suche nach Antimaterie aus dem Teilchenphysiklabor CERN in der Schweiz quer durch Rom jagen muss, hat Dr. Christoph Hugenschmidt am FRM II in Garching pro Sekunde eine Milliarde Antiteilchen zur Verfügung. Das Positron ist dabei so harmlos wie sein Gegenpart, das Elektron. NEPOMUC (NEutron-induced POsitron source MUniCh) hat der TUM-Physiker die Neutronen-induzierte Positronenquelle genannt. Zusammen mit der Universität der Bundeswehr München betreibt der TUM-Lehrstuhl für Experimentalphysik E 21 diese weltweit intensivste Positronenquelle.

Das Besondere an der Positronenquelle in Garching ist, dass die Teilchen sich im Ultrahochvakuum durch magnetische und elektrische Felder fast verlustfrei bis zu den fünf verschiedenen Experimentierstationen leiten lassen. „Den Wissenschaftlern, die ihre Experimente an der Positronenquelle des FRM II durchführen, stehen damit bis zu 1000 Mal mehr Positronen pro Sekunde zur Verfügung als in jedem anderen Labor der Welt“, sagt Hugenschmidt. Das spart wertvolle Experimentierzeit. Versuche mit Positronen, die sonst Wochen dauern, können am FRM II innerhalb von einigen Minuten oder Stunden durchgeführt werden. „Gleichzeitig haben wir die Empfindlichkeit gesteigert, und es lassen sich daher völlig neue Fragestellungen in der Grundlagenphysik beantworten“, zählt Hugenschmidt weitere Vorteile auf. So untersucht man derzeit das negativ geladene Positronium, ein Teilchen, das aus zwei Elektronen und einem Positron besteht. Bei den drei Teilchen, die sich gegenseitig umkreisen, interessiert vor allem das Dreikörperproblem, das schon Kepler und Copernicus aufwarfen: Wie verlaufen die Bahnen dreier Körper unter dem Einfluss ihrer gegenseitigen Anziehung?

Die Positronen werden indirekt aus Neutronen des Reaktors erzeugt. Das Herzstück der Positronenquelle besteht aus einer Struktur aus Kadmium und Platinfolien. Das Kadmium fängt die Neutronen ein und gibt dabei hochenergetische Gammastrahlung ab. Die Energie dieser elektromagnetischen Strahlung wird in Platin gemäß der Einsteinschen Äquivalenz von Masse und Energie E=mc2 in Masse umgewandelt. Dabei entstehen zu gleichen Teilen Materie und Antimaterie: Elektronen und Positronen. Um die Positronen möglichst lange zum Experimentieren zu nutzen, muss man sie von Materie fernhalten. Denn bei Kontakt mit einem Elektron zerstrahlen sie sofort.

Positronen werden außer für Grundlagenexperimente vor allem in der Materialforschung eingesetzt, weil sie nicht nur Defekte im Atomgitter erkennen, sondern auch Atomsorten unterscheiden können. Je nach Element zerstrahlen die Positronen bei der Berührung mit den Elektronen unterschiedlich. Die dabei messbare Gammastrahlung ist wie ein Fingerabdruck spezifisch für ein Element. Die Empfindlichkeit der Positronen wiesen die Forscher um Christoph Hugenschmidt nun in einem Versuch mit Aluminium und Zinn nach. Unter einer nur 200 Nanometer dünnen Schicht aus 500 Lagen Aluminium-Atomen wurde eine einzelne Lage aus Zinn-Atomen eingebettet. Trotzdem konnten die Positronen die Zinnschicht aufspüren.

Diese Messtechnik soll nun nicht nur Defekte auf atomarer Ebene zeigen, sondern wird zukünftig auf dotierte Halbleiter und metallische Werkstoffe angewandt werden, um darin kleinste Verunreinigungen sichtbar zu machen. Dazu entwickelt Hugenschmidt gerade neue Messapparaturen an der Positronenquelle des FRM II und unternimmt Experimente in Kooperation mit der Universität der Bundeswehr München, der Ludwig-Maximilians-Universität München und dem Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg.

Originalpublikationen:

Unprecedented intensity of a low energy positron beam; C. Hugenschmidt, B. Löwe, J. Mayer, C. Piochacz, P. Pikart, R. Repper, M. Stadlbauer, and K. Schreckenbach; Nucl. Instr. Meth. A 593 (2008) 616 – DOI: 10.1016/j.nima.2008.05.038

High elemental selectivity to Sn submonolayers embedded in Al using positron annihilation spectroscopy; C. Hugenschmidt, P. Pikart, M. Stadlbauer, and K. Schreckenbach; Phys. Rev. B77 (2008) 092105 – DOI: 10.1103/PhysRevB.77.092105

Externer Link: www.tu-muenchen.de