Archiv des Monats: April 2010

Neuer Maßstab zur Bewertung von Supercomputern

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Pressemitteilung der TU München vom 15.04.2010

Supercomputing in Garching

Bei Höchstleistungsrechnern hängt die Leistungsfähigkeit nicht nur von der Anzahl der Prozessoren und deren Geschwindigkeit ab. Einen wesentlichen Einfluss hat auch die Rechnerarchitektur. Mit Sammlungen so genannter Benchmark-Programme können Hersteller und Forschungsinstitute prüfen, ob ein Supercomputer für bestimmte Aufgabenstellungen geeignet ist. Eine von Wissenschaftlern der Technischen Universität München (TUM) am Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften entwickelte Anwendung wurde nun in die wichtigste internationale Sammlung solcher Benchmark-Programme aufgenommen.

Weltweit kämpfen Hersteller und Betreiber um die besten Plätze im Wettbewerb um den schnellsten Supercomputer. Schiedsrichter dieses Wettkampfs ist die gemeinnützige SPEC (Standard Performance Evaluation Corporation). Sie ist die weltweit führende Institution zur Definition standardisierter Benchmarks. Alle namhaften Hersteller von Hard- und Software sind Mitglieder der SPEC, außerdem führende Forschungsinstitute wie das Garchinger LRZ.

Ein von Wissenschaftlern der TU München auf dem Supercomputer des LRZ entwickeltes Programmpaket wurde nun vom SPEC in die Sammlung repräsentativer Anwendungen für Höchstleistungsrechner aufgenommen, die für die Leistungsanalyse von Prozessor- und Rechensystemarchitekturen verwendet werden. Das gemeinsam vom Team um Dr. Alexandros Stamatakis, Fachbereich Bioinformatik und dem Lehrstuhl für Rechnertechnik und Rechnerorganisation (Prof. Dr. Arndt Bode, Dipl.-Inf. Michael Ott) an der TU München entwickelte Programm RAxML dient dazu, aus Erbgutinformationen ganze Stammbäume von Lebewesen zu berechnen.

Das Programm RAxML gehört derzeit zu den zehn weltweit am weitesten verbreiteten Anwendungen zur Rekonstruktion von Stammbäumen. Die wissenschaftliche Publikation zu dieser Anwendung zählt zu den weltweit am häufigsten zitierten Informatik-Veröffentlichungen die in den letzten fünf Jahren publiziert wurden. Seine Aufnahme in die Benchmark-Sammlung des SPEC unterstreicht die besondere Rolle und internationale Sichtbarkeit der Technischen Universität München und des Leibniz-Rechenzentrums im Bereich des Wissenschaftlichen Höchstleistungsrechnens und der Leistungsanalyse von Supercomputern.

Die Programmentwicklung wird durch das Bayerische Kompetenznetzwerk für Technisch-Wissenschaftliches Hoch- und Höchstleistungsrechnen KONWIHR unterstützt. Die Arbeitsgruppe von Dr. Alexandros Stamatakis wird durch das Emmy-Noether Programm der DFG gefördert.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Neuer Ansatz für Supraleiter?

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Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 08.04.2010

Physik: Quanten-Spinflüssigkeit simuliert

Elektronen in einer wabenförmigen Kristallstruktur können einen exotischen Zustand der Materie annehmen, den Physiker als „Quanten-Spinflüssigkeit“ bezeichnen. Deren Besonderheit besteht darin, dass ihre Elektronen bis zum absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius ungeordnet bleiben, weil die sonst übliche Tendenz zur Ordnung selbst bei diesen Minusgraden durch die Fluktuationen der Elektronen (Quantenfluktuationen) unterbunden wird. Um das zu erreichen, müssen die Quantenfluktuationen stark genug sein, was in der Natur sehr selten und in Modellen typischerweise kaum realisierbar ist. Zi Yang Meng, Dr. Stefan Wessel und Prof. Alejandro Muramatsu vom Institut für Theoretische Physik III der Uni Stuttgart ist es nun zusammen mit Ihren Würzburger Kollegen Thomas Lang und Prof. Fakher Assaad gelungen, das Auftreten einer Quanten-Spinflüssigkeit in einem realitätsnahen Modell aufzuzeigen – mit einer aufwendigen Simulationsrechnung, die sowohl die gegenseitige Abstoßung der Elektronen als auch ihre Quantenfluktuationen effizient erfasst. Über die Arbeit berichtete die Zeitschrift „Nature“ in ihrer Ausgabe vom 8. April.

Elektronen in einem Kristall treten in unterschiedlichen Zuständen auf. In vielen Fällen entscheidet die Kristallstruktur, ob das Material zum Beispiel ein Metall mit einer elektrischen Leitfähigkeit ist oder ein Isolator, der keinen elektrischen Strom trägt. Es gibt jedoch isolierende Materialien, in denen aufgrund der Kristallstruktur eigentlich metallisches Verhalten zu erwarten wäre. In solchen so genannten „Mott-Isolatoren“ unterdrückt die gegenseitige Abstoßung der Elektronen das metallische Verhalten, und die Elektronen sitzen regelrecht an den Atomen fest. Diese lokalisierten Elektronen neigen dazu, bei sinkenden Temperaturen geordnete Zustände anzunehmen, wie etwa magnetisch geordnete Strukturen. Bei einer „Quanten-Spinflüssigkeit“ hingegen handelt es sich um einen nicht-magnetischen Mott-Isolator, der durch Effekte der Quantenmechanik stabilisiert wird.

Die von den Wissenschaftlern gefundene Quanten-Spinflüssigkeit lässt sich in Materialen erzeugen, in denen die Atome in einer Ebene das Muster einer Honigwabe bilden. Genau diese Struktur zeigt zum Beispiel Graphen, ein zweidimensionales Material aus Kohlenstoffatomen, das erst seit wenigen Jahren hergestellt und seitdem intensiv erforscht wird. Gelänge es, in einer solchen Gitterstruktur die Wechselwirkungen zwischen den Elektronen gezielt zu erhöhen, ließe sich der Zustand einer Quanten-Spinflüssigkeit schaffen. Dass dies in Graphen gelingen kann, erscheint jedoch fraglich. Daher schlagen die Stuttgarter und Würzburger Physiker einen anderen Weg vor, etwa Schichten aus Elementen der vierten Hauptgruppe mit einer höheren elektronischen Wechselwirkung. Als ersten Schritt in diese Richtung war es Chemikern gelungen, graphen-artige Strukturen aus Silizium-Atomen zu synthetisieren. Weiterhin sollte sich die Quanten-Spinflüssigkeit mit ultra-kalten Atomen realisieren lassen. Denn das von den Theoretikern untersuchte Modell beschreibt neben Elektronen im Festkörper auch das Verhalten von ultra-kalten Atomen in optischen Gittern. In diesem neuen Forschungsfeld wurden in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, die hoffen lassen, dass sich auch die Quanten-Spinflüssigkeit mit ultra-kalten Atomen realisieren lässt. Interessant ist diese auch deshalb, weil sie ein möglicher Ausgangspunkt für einen so genannten Supraleiter sein kann: Elektrischer Strom würde dann ganz ohne Widerstand und damit verlustfrei durch das Material fließen. Anwenden könnte man das zum Beispiel für superschnelle Computerchips oder verlustfreie Stromversorgungsnetze.

In Ihrer Grundlagenforschung untersuchen die Stuttgarter und Würzburger Theoretiker komplexe Zustände von Quanten-Vielteilchensystemen in Festkörpern. Die Quanten-Spinflüssigkeit fanden sie bei der Erforschung des Überganges zwischen den Zuständen „Metall“ und „Mott-Isolator“ in einem theoretischen Modell für Graphene. In der Nähe solcher Übergänge, so fanden die Forscher, sind die Quantenfluktuationen so stark, dass die magnetische Ordnung unterdrückt wird. Auch andere elektronische Ordnungen konnten die Physiker durch systematische Analysen ausschließen. Die dazu notwendigen Berechnungen erfordern den Einsatz moderner Supercomputer. Hier profitierten die Physiker von der Effizienz der Hochleistungsrechenzentren in Stuttgart, Jülich und München. Für die Zukunft erhoffen sich die Wissenschaftler von der Simulation, neue Materialen mit exotischen Zuständen wie die Quanten-Spinflüssigkeit auch gezielt designen zu können.

Die Untersuchungen fügen sich eng in das Forschungsumfeld beider Universitäten ein. So wird an der Uni Stuttgart innerhalb des Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 21 „Controll of Quantum Correlations in Tailored Matter“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gezielt an der Realisierung maßgeschneiderter Quantenmaterie geforscht. Der Sprecher dieses SFBs ist Prof. Tilmann Pfau von der Uni Stuttgart. Komplexe elektronische Zustände stehen auch im Zentrum der neu gegründeten Würzburger DFG-Forschergruppe „Electron Correlation-Induced Phenomena in Surfaces and Interfaces with Tuneable Interactions“, deren Sprecher der Würzburger Prof. Ralph Claessen ist.

Veröffentlichung:
Zi Yang Meng, Thomas C. Lang, Stefan Wessel, Fakher F. Assaad, and Alejandro Muramatsu: „Quantum spin-liquid emerging in two-dimensional correlated Dirac fermions“, Nature, DOI:10.1038/nature08942.

Externer Link: www.uni-stuttgart.de

Organisationsprinzip des menschlichen Genoms identifiziert

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 13.04.2010

Bedeutende Fortschritte im Bereich der funktionellen Genomik – Internationales Forscherteam präsentiert neue Einblicke in das Organisationsprinzip der menschlichen DNA – Zeitschrift „Nature“ würdigt die Ergebnisse als „Research Highlight“

Eine der großen Herausforderungen der Ära nach der Entschlüsselung des menschlichen Genoms ist die Beantwortung der Frage, wie die DNA in der Zelle organisiert ist und zum „Auslesen“ der Erbinformation genutzt wird. Dies würde eine ganze Bandbreite von neuen Anwendungsgebieten und Forschungsfeldern schaffen. So wäre es beispielsweise möglich, auf dieser Grundlage die Entstehung von Erbkrankheiten besser zu verstehen und entsprechend zu reagieren. Schon seit einiger Zeit wird vermutet, dass die menschliche DNA nach einem bestimmten Muster in der Zelle strukturiert ist. Man weiß, dass die jeweils im Zellkern vorliegende DNA einerseits aus kodierenden und andererseits aus nicht-kodierenden Abschnitten besteht. Ungefähr 98 Prozent der zellulären DNA ist nicht-kodierend, enthält also keine Information für die Synthese von Proteinen. Diese Genabschnitte wurden bislang zumeist als „Müll“ ohne nennenswerte Funktion betrachtet.

Einem internationalen Forscherteam, an dem neben einer Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Gernot Längst und Dr. Attila Németh vom Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie der Universität Regensburg auch Wissenschaftler aus München und dem spanischen Valencia beteiligt waren, gelang es nun durch eine bahnbrechende Arbeit, der nicht-kodierenden DNA eine wichtige Funktion innerhalb des DNA-Netzwerks zuzuweisen. Über die Untersuchung des sogenannten Nucleolus, des Kernkörperchens der Zellen, konnten die Forscher einen wesentlichen Beitrag zum Verständnis des Organisationsprinzips des menschlichen Genoms leisten.

Der Nucleolus befindet sich innerhalb des Zellkerns (Nucleus). Er lässt sich vom Rest des Zellkerns funktionell abgrenzen, verfügt jedoch über keine eigene Membran. Der Nucleolus ist vor allen Dingen in seiner Rolle als Ribosomen-Fabrik der Zellen bekannt. Jüngere Studien weisen aber darauf hin, dass er darüber hinaus noch andere Funktionen hat. So ist der Nucleolus auch an der Stressregulation, Virusprozessierung oder bei Alterungsprozessen beteiligt.

Trotz seiner dem entsprechend großen Bedeutung für die Vorgänge auf zellulärer Ebene war das Wissen um den Aufbau und die Selbst-Organisation des Nucleolus bislang sehr begrenzt. Das internationale Forscherteam unter der Leitung der Regensburger Biologen konnte eine detaillierte Genomkarte der nucleolären DNA erstellen und somit erstmalig das funktionelle Genom eines Zellkern-Organells identifizieren. Weiterhin wurden die DNA-Elemente charakterisiert, die die dreidimensionale Struktur des Nucleolus organisieren. Die Wissenschaftler nutzten hierfür die neuen Methoden der Hochdurchsatz-DNA-Sequenzierung und kombinierten diese mit DNA-Microarray-Experimenten und hochauflösender dreidimensionaler Mikroskopie. Durch die Kombination der Einzelergebnisse der Experimente stellten sie fest, dass spezifische nicht-kodierende Genomabschnitte (spezielle alpha-Satelliten Sequenzen) für den Zusammenbau dieser funktionellen Einheit des Zellkerns verantwortlich sind.

In diesem Zusammenhang wurden ebenfalls mehrere Tausend Gene und nicht-kodierende DNA-Sequenzen identifiziert. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass etwa vier Prozent des menschlichen Genoms stabil mit dem Nucleolus verbunden sind. Die Arbeiten des Forscherteams zeigten zudem, dass die Struktur des Nucleolus nicht zufällig, sondern auf dessen konkrete Funktionen in der Zelle bzw. im Zellkern ausgerichtet ist. Die nicht-kodierende DNA spiele, so die Forscher, in diesem DNA-Netzwerk eine entscheidende Rolle.

Die Studien konnten so erstmals einen „Schnappschuss“ der Architektur des Nucleolus und dessen Funktion in zwei unterschiedlichen menschlichen Zelltypen liefern, der auf ein spezifisches Organisationsprinzip des menschlichen Genoms verweist. Nach Aussage der Forscher sind allerdings weitere Analysen – auch das Einbeziehen weiterer menschlicher Zelltypen – notwendig. So kann zum einen der Aufbau bzw. die Struktur des Nucleolus während Entwicklungsprozessen und in unterschiedlichen Phasen des Zellzykluses vollständig erfasst werden. Zum anderen soll durch die Analyse der Nucleolus-Genomik verschiedener Organismen geklärt werden, ob das identifizierte Organisationsprinzip des menschlichen Genoms allgemein gilt und sogar evolutionär konserviert ist.

Die Ergebnisse des internationalen Forscherteams wurden in dem renommierten Open-Access-Journal „Plos Genetics“ veröffentlicht. Vor kurzem würdigte die Zeitschrift „Nature“ die Arbeiten der Wissenschaftler darüber hinaus als „Research Highlight“. Prof. Längst ist Leiter der Internationalen Graduiertenschule für Lebenswissenschaften (RIGeL) der Universität Regensburg. Nach einer Anschubfinanzierung durch die Universität wurde das Forschungsprojekt auch durch das Bayerische Genforschungsnetzwerk BayGene gefördert.

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Wandelbare Anstandsdamen

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Presseinformation der LMU München vom 09.04.2010

Wie Chaperone die Struktur von Proteinen beeinflussen

Ohne Chaperone wäre kein Leben auf der Erde möglich. Denn diese Eiweiße sorgen dafür, dass andere Proteine nach ihrer Synthese in eine dreidimensionale Form gebracht werden, in der sie ihre korrekte Funktion überhaupt erst erfüllen können. Bisher war über die molekulare Struktur der Chaperone und ihre Veränderungen während der Faltung von Proteinen nur wenig bekannt. Nun haben Wissenschaftler um Professor Don C. Lamb und Dr. Dejana Mokranjac von der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München erstmals die Struktur und Dynamik eines wichtigen Chaperons in Echtzeit untersucht. Dabei entdeckten sie, dass das Chaperon aus der Gruppe der sogenannten Hitzeschockproteine 70 (Hsp70) erstaunlich vielfältige und dynamische Strukturen einnehmen kann. (Molecular Cell, 9. April 2010).

Proteine sind die Grundbausteine aller Zellen. Sie geben diesen nicht nur ihre Struktur, sondern steuern auch eine Vielzahl biologischer Funktionen wie den Transport von Stoffen oder chemische Reaktionen in der Zelle. Diese Aufgaben können neu synthetisierte Proteine aber nach der Faltung in eine jeweils spezifische dreidimensionale Struktur erfüllen. Dabei kommen die Chaperone – das ist englisch für „Anstandsdame“ – ins Spiel: Diese Moleküle treten mit den noch ungefalteten Proteinen in Wechselwirkung und bewahren sie während der Faltung in die korrekte Struktur vor schädlichen Einflüssen. Die Chaperone lassen sich bisher fünf unterschiedlichen Klassen zuordnen. Die sogenannten Hitzeschockproteine 70 (Hsp70) sind an einer Vielzahl zellulärer Prozesse beteiligt, neben der Faltung von Proteinen gehören dazu auch die Umgestaltung von Proteinkomplexen und der Transport von Proteinen durch die Membranen verschiedener Zellorganellen, etwa der Mitochondrien.

Bisher war über die Struktur dieser Chaperone sowie über ihre dynamischen Veränderungen im Verlauf der Proteinfaltung nur wenig bekannt. Dem Team um Professor Don C. Lamb und Dr. Dejana Mokranjac vom Department Chemie der LMU ist es nun erstmals gelungen, die Dynamik eines wichtigen Hsp-70-Chaperons in Echtzeit zu verfolgen. In Zusammenarbeit mit Professor Walter Neupert vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München bildeten die Forscher Veränderungen im Verlauf des sogenannten Konformationszyklus des Chaperons Ssc1 ab. Die Konformation bezeichnet die räumliche Struktur eines Moleküls und unterliegt bei Chaperonen im Verlauf der Proteinfaltung bestimmen zyklischen Veränderungen. So binden die Chaperone während dieses Prozesses an bestimmte Regionen des neu synthetisierten Proteins und schirmen diese von der Umgebung ab. Dabei erhalten sie ihre Energie durch einen chemischen Prozess, bei dem das energiereiche Adenosintriphosphat (ATP) in Adenosindiphosphat (ADP) und einen Phospatrest gespalten wird.

Lamb und sein Team haben definierte Stellen auf einem einzelnen Ssc1-Chaperon farblich markiert und die Abstände zwischen den einzelnen Markierungen mit Hilfe der Fluoreszenz-Spektroskopie bestimmt. Auf diese Weise konnten die Forscher Rückschlüsse auf die räumliche Struktur des Proteins ziehen. „Interessanterweise ist diese Struktur im ATP-Zustand des Chaperons überraschend homogen und sehr stabil“, berichtet Lamb. „Im ADP-Zustand liegt das Protein dagegen in einer sehr viel dynamischeren Form vor und kann eine Reihe verschiedenartiger Strukturen einnehmen.“ Diese Vielfalt an Strukturen hat wiederum Auswirkungen auf die Funktionen, die Ssc1 von anderen Chaperonen unterscheidet. So ist Ssc1 unter anderem dafür verantwortlich, Proteine durch die Membran der Mitochondrien – der Energiekraftwerke einer Zelle – zu transportieren.

„Es ist damit für das Überleben einer Zelle unbedingt erforderlich“, erläutert Dejana Mokranjac. „Wenn wir also die Dynamik und die Funktionen des Ssc1 und anderer Hsp70-Chaperone besser verstanden haben, lässt sich im nächsten Schritt auch genauer untersuchen, wie bestimmte Erkrankungen durch Fehler in diesen Abläufen zustande kommen.“ Dies kann unter anderem zu Erkrankungen wie Krebs, Alzheimer oder der Parkinson-Krankheit beitragen. „Die Antwort auf die Frage, wie die Chaperone ihre vielfältigen Aufgaben erfüllen, ist äußerst wichtig für das Verständnis biologischer Prozesse, die Leben überhaupt ermöglichen“, sagt Lamb. In zukünftigen Studien wollen die Forscher mithilfe der Fluoreszenz-Spektroskopie weitere Chaperone und ihr Zusammenspiel bei der Formgebung der Proteine untersuchen.

Die Arbeiten wurden im Rahmen der beiden Exzellenzcluster „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) und „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) durchgeführt. (CA/suwe)

Publikation:
„The Conformational Dynamics of the Mitochondrial Hsp70 Chaperone“;
Koyeli Mapa, Martin Sikor, Volodymyr Kudryavtsev, Karin Waegemann, Stanislav Kalinin, Claus A.M. Seidel, Walter Neupert, Don C. Lamb, Dejana Mokranjac;
Molecular Cell, Band  38, S. 1-12.
9. April 2010;
doi: 10.1016/j.molcel.2010.03.010

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Windparks intelligent vernetzen

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom April 2010

2020 soll die EU ein Fünftel ihres Stroms aus erneuerbaren Energien beziehen, lautet ein Beschluss der Mitgliedstaaten. Einen Großteil des Strombedarfs werden Windparks decken. Forschern ist es in einem EU-Projekt gelungen, große Windparks zu Clustern zusammenzuschalten.

Regenerativen Energien gehört die Zukunft. Vor allem die Windenergie boomt – 2009 wurden nach Angaben des Bundesverbands WindEnergie 952 neue Anlagen in Deutschland installiert. Einen Gesamtstromverbrauch von 595 Terrawattstunden prognostiziert der Bundesverband Erneuerbare Energie für 2020. Der Verbrauch wird dann zu 47 Prozent durch erneuerbare Energien gedeckt, darunter 25 Prozent Windenergie.

Mit »Wind on the Grid« wurde jetzt eines der größten EU-Projekte zur Netzintegration abgeschlossen: Europäische Unternehmen aus Industrie und Forschung haben auf der iberischen Halbinsel untersucht, wie sich Windparks im großen Umfang sicher in das europäische Stromnetz einbinden lassen. Um den Netzbetreibern das Erfassen, Steuern und die Vorhersage der Windenergie zu ermöglichen, hat das Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES sein Wind Farm Cluster Management System, kurz WCMS, und sein Wind Power Management System zur Verfügung gestellt und um neue Funktionen ergänzt. Mit den Software-Paketen konnten die Forscher in Portugal fünf Windparks mit 204 Megawatt und in Spanien sechs Anlagen mit 107 Megawatt Leistung in Echtzeittests bei unterschiedlichen Wetterbedingungen ins Stromnetz integrieren. »Mit dem WCMS wurden die verstreut liegenden Windparks zu einem Cluster zusammengefasst und von der Leitwarte der jeweiligen Netzbetreiber zentral gesteuert. Während das Wind Farm Cluster Management System die Frequenz- und die Spannungsleistung im elektrischen Netz stabil hält und für einen sicheren Netzbetrieb sorgt, berechnet die Prognosesoftware Wind Power Management System mit Hilfe von künstlichen neuronalen Netzen auf Grundlage von Wettervorhersagen die zu erwartende Windleistung,« erläutert Dr. Kurt Rohrig, Abteilungsleiter am Kasseler Institutsteil des IWES. Prinzipiell gilt: Einzelne Windanlangen weisen hohe Schwankungen der erzeugten Leistung auf. Je mehr Windparks sich zu einem Cluster zusammenfassen lassen, desto eher können Windböen und -flauten ausgeglichen werden. Und: Je mehr Anlagen installiert sind, desto günstiger wird der Strompreis. »Heute liegt der Strompreis für Windenergie bei sieben Cent pro Kilowattstunde. An guten Standorten beträgt er fünf Cent. 2025 wird er im Mittel bei vier Cent rangieren,« prognostiziert Rohrig.

Derzeit verhandeln die Wissenschaftler mit dem Netzbetreiber in Portugal, ob ihr System dort in die Leittechnik integriert werden kann. »Langfristig werden Windanlagen konventionelle Kraftwerke ersetzen,« ist Rohrig überzeugt.

Externer Link: www.fraunhofer.de