Archiv des Monats: Mai 2011

Karlsruher Tarnkappe: „Sichtbar verschwinden“

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.05.2011

CFN-Wissenschaftler am KIT realisieren optische Tarnung im für Menschen wahrnehmbaren Bereich des Lichts

„Mit den eigenen Augen etwas Unsichtbares zu sehen, ist eine spannende Erfahrung“, so Joachim Fischer und Tolga Ergin. Die beiden Physiker haben am Center for Functional Nanostructures (CFN) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in der Arbeitsgruppe von Professor Martin Wegener fast ein Jahr daran gearbeitet, die Struktur der Karlsruher Tarnkappe so zu verfeinern, dass sie auch in einem für den Menschen sichtbaren Bereich des Lichts wirkt.

Tarnkappen funktionieren, indem Lichtwellen in ihrem Material so gelenkt werden, dass sie die Tarnkappe wieder verlassen, als ob sie nie mit dem zu tarnenden Objekt in Berührung gekommen wären – das Objekt ist somit für den Betrachter unsichtbar. Die exotischen optischen Eigenschaften des Tarnmaterials werden mit komplexen mathematischen Werkzeugen berechnet, die denen der Einsteinschen Relativitätstheorie ähneln.

Erreicht werden diese durch eine spezielle Strukturierung des Tarnmaterials. Sie muss kleiner als die Wellenlänge des Lichts sein, das abgelenkt werden soll. So kann beispielsweise für die relativ großen Rundfunk- oder Radarwellen ein Material verwendet werden, „das fast mit der Nagelschere produziert werden kann“, so Wegener. Bei Wellenlängen, die für das menschliche Auge sichtbar sind, müssen dagegen Materialien mit Strukturierung im Nanometerbereich hergestellt werden.

Die winzige Tarnkappe, die Fischer und Ergin nun erzeugt haben, ist kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Sie lässt eine Wölbung in einem Metallspiegel flach erscheinen und dadurch ein darunter verstecktes Objekt unsichtbar werden. Das Metamaterial, das über diese Wölbung gelegt wird, sieht wie ein Holzstapel aus, besteht jedoch aus Kunststoff und Luft. Die „Holzscheite“ verfügen über präzise festgelegte Stärken im Bereich von 100 Nanometern. Durch sie werden Lichtwellen, die die Wölbung normalerweise ablenkt, so beeinflusst und geführt, dass das reflektierte Licht dem eines flachen Spiegels entspricht.

„Würden wir es noch mal schaffen, den Strukturierungsabstand des roten Tarnmantels zu halbieren, hätten wir eine Tarnkappe, die das ganze sichtbare Lichtspektrum abdeckt“, so Fischer.

Bereits im vergangenen Jahr präsentierte die Gruppe Wegener in der renommierten Fachzeitschrift Science die erste 3D Tarnkappe. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es lediglich Tarnkappen in Wellenleitern, die praktisch zweidimensional waren. Sobald man aus der dritten Dimension auf die Struktur schaute, war die Wirkung dahin. Die Karlsruher Tarnkappe konnte mit einer entsprechend filigranen Strukturierung für einen Wellenlängenbereich von 1500 bis 2600 Nanometern konstruiert werden. Dieser Wellenlängenbereich ist für das menschliche Auge noch nicht wahrnehmbar, spielt jedoch in der Telekommunikation eine große Rolle. Den Durchbruch ermöglichte das am CFN entwickelte Verfahren des Direkten Laser Schreibens (DLS). Mit diesem Verfahren können winzige 3D-Strukturen mit optischen Eigenschaften erzeugt werden, die es in der Natur nicht gibt – sogenannte Metamaterialien.

Die KIT-Wissenschaftler verbesserten im vergangenen Jahr das ohnehin schon extrem feine Verfahren des Direkten Laser Schreibens weiter. Dabei benutzten sie Methoden aus der Mikroskopie, welche dort zu fundamentalen Auflösungsverbesserungen geführt haben. Damit hatten sie das entscheidende Werkzeug zur Hand, das Metamaterial um einen Faktor 2 zu verfeinern und so die erste 3D-Tarnkappe für unpolarisiertes sichtbares Licht im Bereich von 700 Nanometern zu realisieren. Dies entspricht der Farbe rot.
 
„Die nun entwickelte Tarnkappe ist ein attraktives Demonstrationsobjekt für die fantastischen Möglichkeiten, welche das recht neue Gebiet der Transformationsoptik und ihrer Metamaterialien offeriert. In den vergangenen Jahren haben sich hier Gestaltungsspielräume eröffnet, die lange für nicht möglich gehalten wurden“, so Ergin. „Wir erwarten dramatische Verbesserungen in den lichtbasierten Technologien, wie Linsen, Solarzellen, Mikroskopen, Objektiven, der Chip-Herstellung und der Datenkommunikation.“ (te)
 
Literatur:
J. Fischer, T. Ergin, and M. Wegener, „Three-dimensional polarization-independent visible-frequency carpet invisibility cloak“, Optics Letters, in press

Externer Link: www.kit.edu

Wasser für die Mongolei

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Mai 2011

In vielen Ländern der Welt ist sauberes Wasser ein rares Gut. Die Versorgung der Bevölkerung stellt die Behörden oft vor Probleme. In der Mongolei zeigt ein interdisziplinäres Forscherteam, wie sich die knappen Ressourcen effektiv nutzen lassen. Eigens entwickelte Software und Mess-Systeme helfen beim Aufspüren von Schwachstellen.

Die Mongolei ist ein Land der Gegensätze: im Sommer brütend heiß, im Winter eisig kalt; im Norden feucht, im Süden staubtrocken. In der Hauptstadt Ulaanbaatar lebt eine Million der drei Millionen Einwohner dicht gedrängt, während der Rest des riesigen Landes überwiegend von Nomaden mit ihrem Vieh genutzt wird. Eine flächendeckende Versorgung mit sauberem Trinkwasser ist schwierig: Wer sollte auf einer Fläche von 1,5 Millionen Quadratkilometern frostsichere Wasserleitungen verlegen? So nutzen die Menschen auf dem Land schon immer das Wasser aus den Flüssen oder aus Brunnen, die sie selbst graben. Doch diese traditionelle Wasserversorgung stößt jetzt an ihre Grenzen: In den vergangenen Jahrzehnten wurden die Regenperioden während der Sommermonate, die die Grundwasserspeicher aufgefüllt haben, immer seltener. An ihre Stelle traten Unwetter mit sintflutartigen Regengüssen, die oberflächlich abfließen, weil sie keine Zeit haben, zu versickern. Gleichzeitig stieg der Wasserbedarf der schnell wachsenden Bevölkerung. »Die Trinkwasserversorgung wird immer schwieriger. Wenn man sie langfristig sichern will, muss man sehr viele verschiedene Faktoren berücksichtigen und herausfinden, wie sie sich gegenseitig beeinflussen«, erklärt Dr. Buren Scharaw vom Fraunhofer-Anwendungszentrum Systemtechnik AST in Ilmenau. Der gebürtige Mongole arbeitet seit vier Jahren am Projekt MoMo – kurz für »Integriertes Wasser-Ressourcenmanagement in Zentralasien: Modellregion Mongolei«. Projektpartner sind die Universitäten Heidelberg und Kassel, die Bauhaus-Universität Weimar, das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung, das Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei sowie private Unternehmen. Die Modellregion, die die Forscher unter die Lupe genommen haben, sind das Einzugsgebiet des Flusses Kharaa und Darkhan, eine Stadt mit 100 000 Einwohnern.

Seit Beginn des Projekts 2006 ist Scharaw mehrmals in seine frühere Heimat gereist: Er hat die Wasserqualität der öffentlichen und privaten Brunnen sowie des Verteilungsnetzes untersucht, den Energieverbrauch der Pumpen gemessen, die Effektivität des Klärwerks erforscht. Alle Daten wurden in am AST entwickelte Computermodelle eingespeist. »Mit unserer Wassermanagement-Lösung HydroDyn haben wir erstmals die Möglichkeit, sowohl die Qualität als auch die Quantität der Wasserflüsse sichtbar zu machen und eine künftige Entwicklung zu modellieren«, erläutert der Forscher. Der Status Quo ist verbesserungsfähig: Die Wasserpumpen benötigen viel Energie, die Leitungen sind marode, fast die Hälfte des Trinkwassers versickert auf dem Weg zum Verbraucher. Viele Jurten verfügen über eigene Brunnen, das Wasser ist jedoch häufig mit Keimen kontaminiert, die von Latrinen eingeschwemmt werden. Was also ist zu tun? »Nachdem wir Daten erfasst und Modelle erstellt haben, beginnen wir jetzt, ökonomisch und ökologisch sinnvolle Vorschläge zu erarbeiten«, sagt Scharaw. Sein Team hat hierfür eine Software entwickelt, die ermittelt, wie sich die Wasserversorgung energiesparend und nachhaltig sichern lässt.

Um die Verluste im Trinkwasserverteilungs-Netz zu minimieren, haben die Fraunhofer-Forscher außerdem ein Mess-System entwickelt, mit dem sich Lecks orten lassen: Kleine Sensoren registrieren Druckabfall in den Leitungen, so lassen sich Löcher relativ genau lokalisieren. Ist die undichte Stelle ausgemacht, kann der betroffene Leitungsabschnitt gezielt ausgebessert werden. Um die Schadstoffbelastung der Gewässer zu senken und die Effektivität des bisherigen Klärwerks zu steigern, bauen die MoMo-Forscher jetzt eine Versuchskläranlage, die Mikroorganismen in hoher Konzentration enthält: »Wir erwarten, dass diese Anlage auch in der kalten Jahreszeit, wenn die Aktivität der Mikroorganismen abnimmt, noch gute Ergebnisse liefert. Diese Resultate lassen sich dann auf eine künftige Anlage übertragen.« In drei Jahren, wenn das MoMo-Projekt abgeschlossen ist, wollen die Experten der Verwaltung in Darkhan einen Maßnahmenkatalog vorlegen, der zeigt, wie sich die Wasserver- und -entsorgung in Zukunft effizient und kostengünstig sichern lässt. Einen seiner größten Erfolge sieht Scharaw darin, dass seine Ergebnisse die mongolischen Behörden bewogen haben, den Bergbau bereits in einigen Regionen des Kharaa-Einzugsgebiets zu stoppen: ein Gewinn, der weit über die Verbesserung des Trinkwassers von Darkhan hinausreicht.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – 2 Fragen: Mirasense AG / Hochschulkooperation

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Heute im Kurzinterview: Herr Dr. Christof Roduner, Mitgründer und COO der Mirasense AG, zum Thema „Hochschulkooperation“.

Die Mirasense AG hat ihren Sitz in Zürich und ist Spezialist für Strichcode-Scantechnologie.

Frage 1: In welchen Bereichen haben Sie bereits mit Hochschulen zusammengearbeitet beziehungsweise kooperieren Sie aktuell?

Wir sind ein recht junges Unternehmen, welches von Absolventen der ETH und des MIT gegründet worden ist. Die Firma ist eigentlich direkt aus den Forschungsinhalten entstanden, die während unserer Doktoratszeit an der ETH Zürich entwickelt wurden. Wir sind ein Spin-Off der ETH Zürich; entsprechend haben wir noch ziemlich viele Kontakte zur Hochschule – wir kennen die Leute und die Lehrstühle dort sehr gut, weshalb wir auch viele Möglichkeiten der Zusammenarbeit haben. Konkret ist die Forschung mit der ETH Zürich nach wie vor aktuell; in diesem Kontext läuft eine Förderung der Hasler Stiftung sowie der ETH Zürich selbst im Rahmen eines sogenannten Pioneer Grants. Daneben haben wir auch die Möglichkeit, explorativere Themen recht unbürokratisch über einen Lehrstuhl ausschreiben zu können – genannt sei hier das Institute for Pervasive Computing, an dem wir während unseres Doktorats bei Professor Mattern tätig waren; dies geschieht in erster Linie über Masterarbeiten, womit sich für die Studierenden die spannende Chance bietet, am Ende ihres Studiums StartUp-Luft zu schnuppern. Ferner haben wir bereits mit der Universität St. Gallen kooperiert beziehungsweise kooperieren wir noch immer; Schwerpunkt des aktuellen Projekts ist es hier, die Anwendungen unserer Technologie zu untersuchen, sprich wie wird diese von den Benutzern aufgenommen und wie kann deren Adaption aussehen. Schließlich haben wir auch schon mit der Hochschule für Wirtschaft in Zürich zusammengearbeitet, mit der wir zusammen eine Markteintrittsstrategie erarbeitet haben.

Frage 2: Welche Formen der Zusammenarbeit mit Hochschulen planen Sie beziehungsweise würden Sie sich von den Hochschulen wünschen?
 
Die Frage ist schwierig, denn ich kann eigentlich nur sagen, dass wir sehr zufrieden und glücklich sind mit den Formen, die uns da zur Verfügung stehen. Durch unsere Nähe zur Hochschule läuft alles in der Regel ziemlich unbürokratisch ab. Das Interesse der Forschungspartner auf Hochschulseite ist da. Wir haben keine Probleme, die Leute für unsere Vorhaben zu begeistern. In der Schweiz werden zudem auch sehr gute Förderinstrumente angeboten. Ganz aktuell klären wir den Start und die Form eines KTI-Projekts ab, in welchem die Zusammenarbeit zwischen StartUp und Hochschule gefördert werden soll, und planen, weitere Masterarbeiten auszuschreiben.

Externer Link: www.mirasense.com

Quanten-Zwillinge aus dem Atomchip

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Presseaussendung der TU Wien vom 01.05.2011

An der Technischen Universität (TU) Wien ist es gelungen, durch ausgeklügelte Atom-Chips quantenphysikalisch verknüpfte Atom-Zwillinge zu erzeugen. Bisher waren ähnliche Experimente nur mit Lichtteilchen möglich.

Objekte, die voneinander weit entfernt sind, sich aber trotzdem nicht getrennt voneinander verstehen und beschreiben lassen – sie gehören zu den erstaunlichsten Merkwürdigkeiten der Quantenphysik. Photonenpaare, wie sie in speziellen Kristallen erzeugt werden sind ein prominentes Beispiel (down conversion Kristall – optische parametrische Oszillatoren). Durch sie kann man Quantenzustände teleportieren oder Daten mittels Quantenkryptografie abhörsicher übertragen. In Zukunft werden solche Experimente nicht nur mit Lichtteilchen möglich sein: An der TU Wien wurde nun mithilfe von ultrakalten Bose-Einstein-Kondensaten eine Methode entwickelt, korrelierte Atompaare zu erzeugen. Die Ergebnisse des Experimentes wurden im Fachjournal „Nature Physics“ veröffentlicht.

Getrennt und doch vereint

Schon Einstein wollte nicht so recht daran glauben, dass voneinander getrennte Teilchen quantenphysikalisch verbunden sein können und nannte solche Phänomene „spukhafte Fernwirkung“. Doch seither wurden die überraschenden Schlussfolgerungen der Quantentheorie immer wieder bestätigt: Quantenteilchen können – auch wenn sie weit voneinander entfernt sind – noch immer zusammengehören und sich gewisse physikalische Eigenschaften „teilen“. „Das bedeutet nicht, dass man durch Manipulation am einen Teilchen auch das andere  verändern könnte, als wären sie durch einen unsichtbaren Faden miteinander verbunden“, erklärt Prof. Jörg Schmiedmayer vom Atominstitut der TU Wien. „Aber trotzdem muss man beide Teilchen als ein Quantensystem gemeinsam betrachten – und das gibt uns Möglichkeiten für spannende Experimente.“ Jörg Schmiedmayers Forschungsgruppe führte die Arbeiten an der TU Wien durch, unterstützt von theoretischen Berechnungen von Ulrich Hohenester an der Karl-Franzens-Universität Graz.

Energie- und Impulserhaltung

Um die quantenphysikalisch korrelierten Atome zu erzeugen, stellte man zunächst ein Bose-Einstein-Kondensat her. Dieser exotische Materiezustand stellt sich bei extrem tiefen Temperaturen ein – einige Milliardstel Grad über dem absoluten Nullpunkt. In einem Bose-Einstein-Kondensat befinden sich alle Atome im niedrigst-möglichen Energiezustand. „Der Schlüssel zum Erfolg liegt in unseren Atom-Chips“ erklärt Thorsten Schumm (TU Wien). Mit diesen maßgeschneiderten Chip-Strukturen können Atome ganz gezielt manipuliert und gesteuert werden. So ist es möglich, den Atomen des ultrakalten Bose-Einstein-Kondensates gezielt ein Quantum Schwingungsenergie zuzuführen. Wenn die Atome dann wieder in den Zustand niedrigster Energie zurückkehren, muss das Kondensat die überschüssige Energie wieder loswerden. „Durch ein ausgeklügeltes Design unseres Atom-Chips hat das Bose-Einstein-Kondensat nur eine einzige Möglichkeit, Energie abzugeben: Die Aussendung von Atom-Paaren. Alle anderen Varianten sind quantenphysikalisch verboten“, erklärt Robert Bücker (TU Wien). Nach dem Gesetz der Impulserhaltung bewegen sich die beiden ausgesandten Atome dann in genau entgegengesetzte Richtungen auseinander. Der Prozess ist analog zu dem Effekt, der in speziellen nicht-linearen Kristallen bei der Erzeugung von Lichtteilchen-Paaren auftritt (optischer parametrischer Oszillator), aber nun funktioniert er nicht nur für Licht sondern auch für Materieteilchen.

Grundlagenforschung in Wien

Die ausgesandten Atom-Zwillinge kann man sich aber nicht einfach wie klassische Partikel vorstellen, wie sie etwa bei einer Explosion in alle Richtungen davonfliegen. Sie sind quantenphysikalische Kopien voneinander und unterscheiden sich nur durch die entgegengesetzte Bewegungsrichtung. Sie bilden quasi ein gemeinsames Quanten-Objekt – ein Atom kann nicht mathematisch beschrieben werden, ohne gleichzeitig auch das andere zu beschreiben. „Diese Atome werden wir in Zukunft für spannende Versuche nützen“, ist Jörg Schmiedmayer zuversichtlich. „Ein unglaublich aufregendes Forschungsgebiet tut sich hier auf. Welche neuen Erkenntnisse oder Anwendungsmöglichkeiten sich daraus ergeben werden, ist heute noch gar nicht absehbar. Es ist gut vorstellbar, dass durch diese korrelierten Atomstrahlen neue Quanten-Messverfahren ermöglicht werden, mit einer Präzision, die die Möglichkeiten der klassischen Physik bei weitem übersteigt.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
R. Bücker et al., Twin-atom beams, Nature Physics, Advance Online Publication 01 May 2011.

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Vom Stallstaub zu Nasentropfen

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 04.05.2011

Kapitalgeber fördern Medikamentenentwicklung

Protectimmun: Erfolgreiche Vermarktung von RUB-Forschungsergebnissen

Die Vermarktung Bochumer Forschungsergebnisse zu einem wirksamen Medikament für die Allergievorbeugung bei Kindern kommt voran: Die Protectimmun GmbH, eine Ausgründung aus der Ruhr-Universität Bochum, erhält insgesamt 1,3 Millionen Euro von Investoren. Der Hightech-Gründerfonds (HTGF), der von EnjoyVenture gemanagte ELS-Fonds und die KfW-Bankengruppe unterstützen das junge Unternehmen bei der Entwicklung von Nasentropfen zur gezielten Prävention von Heuschnupfen und allergischem Asthma. Grundlage sind wissenschaftliche Ergebnisse der RUB und des Forschungszentrums Borstel. Die Forscher identifizierten erfolgreich den Stoff im Stallstaub, der Landkinder vor Allergien schützt.

Präklinische Studien zügig umsetzen

„Wir freuen uns sehr, diese erfahrenen Investoren in unser Unternehmen einbinden zu können“, so Dr. Marion Kauth, Geschäftsführerin und Mitgründerin von Protectimmun. „Die finanziellen Mittel unterstützen uns bei der zügigen Umsetzung der notwendigen präklinischen Studien.“ Protectimmun entwickelt ein Medikament, das Kinder vor der Entstehung von Heuschnupfen und allergischem Asthma lang anhaltend bewahren soll. Es basiert auf natürlichen Substanzen und Bakterien aus dem bäuerlichen Milieu – unter anderem auf Arabinogalaktan. Das ist ein pflanzliches Zuckermolekül, das das Immunsystem an überschießenden Abwehrreaktionen hindert, wenn es im ersten Lebensjahr in hoher Konzentration eingeatmet wird. Das Molekül kommt in großen Mengen in Futterpflanzen wie dem Wiesenfuchsschwanz (Alopecurus pratensis) vor. Der „Proof-of-Concept“ im Tiermodell für die angestrebte Allergieprophylaxe liegt bereits vor. Nach Abschluss weiterer toxikologischer Studien kann voraussichtlich 2013 der Eintritt in die klinische Phase erfolgen.

Protectimmun: Aus der Forschung entstanden

Das biopharmazeutische Unternehmen Protectimmun ist aus einer Forschungskooperation der Ruhr-Universität Bochum, Abteilung für Experimentelle Pneumologie (Prof. Dr. Albrecht Bufe) und dem Forschungszentrum Borstel in Schleswig-Holstein, Strukturbiochemie (Prof. Dr. Otto Holst) entstanden. Die wegweisenden Forschungsergebnisse der beteiligten Wissenschaftler bilden die Grundlage der Produktentwicklung. Zudem nutzt die Firma die Laborräume der Experimentellen Pneumologie im Universitätsklinikum Bergmannsheil für die weitere Forschung. Protectimmun wurde 2007 gegründet und setzte sich 2008 erfolgreich im Businessplanwettbewerb „ruhr@venture“ des Gründercampus Ruhr durch. (Jens Wylkop)

Externer Link: www.ruhr-uni-bochum.de