Archiv des Monats: September 2011

Drahtlose Fensterkontakte – wartungsfrei und energieautark

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom September 2011

Fensterkontakte melden uns, welche Fenster im Haus offen oder geschlossen sind. Forscher haben jetzt ein besonders komfortables und ausfallsicheres System entwickelt, das ohne Kabel oder Batterien auskommt. Ihre Betriebsenergie gewinnen die Sensoren aus Funkstrahlung in der Umgebung.

07:30 Uhr morgens: Höchste Zeit, das Haus zu verlassen, um 08:00 Uhr steht ein wichtiger Termin an. Trotzdem will sich die junge Frau noch schnell vergewissern, dass alle Fenster geschlossen sind, denn für den Nachmittag sind Gewitter angekündigt. Später im Auto fällt ihr ein, dass sie einen Raum bei ihrem Kontrollgang vergessen hat. Fensterkontakte sorgen in solchen Situationen für mehr Komfort und Sicherheit: Die elektronischen Helfer werden an den Fenstergriffen platziert. Anhand der Griffstellung erkennen sie, ob ein Fenster geöffnet, gekippt oder geschlossen ist und übermitteln diese Information zu einer Basisstation. So sieht der Hausbesitzer auf einen Blick, welche Fenster offen stehen.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS haben jetzt eine besonders komfortable und zuverlässige Variante entwickelt, die ohne Kabel oder Batterie auskommt. »Unsere drahtlosen Fensterkontakte beziehen ihre gesamte Energie aus Funkstrahlen in der Umgebung«, erklärt Dr. Gerd vom Bögel, Wissenschaftler am IMS. Bislang waren drahtlose Modelle entweder auf Batterien oder Solarzellen angewiesen. Nachteile hat beides: Batterien müssen regelmäßig ausgetauscht werden, sonst funktioniert der Fensterkontakt nicht mehr. Dieses Problem haben solarbetriebene Systeme zwar nicht, doch auch sie sind fehleranfällig. Wird die Solarzelle unbemerkt abgeschattet, fehlt der Energienachschub. Darüber hinaus leidet die Ästhetik, da ein Modell mit Solarzelle nicht versteckt am Fenster platziert werden kann. Bleibt noch die klassische Variante: Kabelgebundene Fensterkontakte, die seit Jahren auf dem Markt erhältlich sind. Deren Manko ist jedoch der enorme Installationsaufwand – und ein Nachrüsten bei Bestandsbauten ist oftmals gar nicht möglich.

Das neue System lässt sich dagegen ohne großen Aufwand und zudem fürs Auge kaum sichtbar einbauen. Neben den Fensterkontakten wird dazu in jedem Zimmer ein Raumcontroller installiert. Dieses aktiv funkende Modul empfängt nicht nur die Daten der einzelnen Fensterkontakte, sondern versorgt die Sensoren durch seine Funkstrahlung auch mit Energie. Darüber hinaus übermittelt der Raumcontroller die empfangenen Daten an eine zentrale Basisstation im Gebäude, über die der Nutzer den Status aller Fenster abrufen kann. Das funktioniert bei entsprechender Konfiguration auch als Fernabfrage – beispielsweise auf das Smartphone des Nutzers. Voraussetzung ist lediglich ein DSL-Anschluss, mit dem die Basisstation verbunden wird.

Knackpunkt bei der Entwicklung war das Energiemanagement: »Auch die Raumcontroller unterliegen ja bestimmten Grenzwerten hinsichtlich ihrer Funkabstrahlung. Gerade in großen Räumen ist es daher gar nicht so einfach, alle Fensterkontakte ausreichend mit Energie zu versorgen«, gibt vom Bögel zu bedenken. »Wir haben aber alle Sensormodule, Antennen und Komponenten zur Energieaufbereitung so exakt aufeinander abgestimmt, dass das System auch über größere Reichweiten zuverlässig funktioniert«.

Ein erster Prototyp existiert bereits. Für die Zukunft haben die Duisburger Forscher weitere Entwicklungen im Blick: So wollen sie auch andere Sensoren nach dem gleichen Prinzip in das System integrieren – etwa zur Wärmeregulierung. Bislang sind die Thermostate meist am Rand eines Raumes angebracht. Steht nun etwa die Tür offen, herrschen dort niedrigere Temperaturen als im Inneren des Zimmers. Der Thermostat regelt dann die Temperatur nach oben, obwohl das gar nicht nötig wäre. Mit dem neuen System ließe sich ein Temperatursensor unauffällig exakt dort platzieren, wo eine bestimmte Temperatur tatsächlich erreicht werden soll – beispielsweise an der Vitrine neben dem Esstisch.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Der kürzeste Film der Welt

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Presseaussendung der TU Wien vom 27.09.2011

Teilchenphysiker der Technischen Universität (TU) Wien forschen an ultraheißen Materiezuständen und visualisieren ihre Ergebnisse in einem Video, das Abläufe auf unvorstellbar kurzen Zeitskalen darstellt.

Hunderttausend mal heißer als das Zentrum der Sonne ist Quark-Gluon-Plasma – ein Materiezustand, bei dem selbst Protonen und Neutronen in ihre Bestandteile aufgeschmolzen werden. An der TU Wien wurden in aufwändigen Computersimulationen nun einige der Geheimnisse dieses exotischen Materiezustandes untersucht. Die Ergebnisse lassen das Phänomen der sogenannten „Plasma-Instabilitäten“ sichtbar und sogar hörbar werden. In Originalgeschwindigkeit abgespielt würde der Film nur einige Quadrilliionstel Sekunden dauern.

Berechnungen zu Experimenten am CERN

Sekundenbruchteile nach dem Urknall bestand das gesamte Universum aus Quark-Gluon-Plasma. Selbst für Protonen und Neutronen war es noch zu heiß. Die Elementarteilchen, aus denen sie aufgebaut sind – Quarks und Gluonen – konnten sich frei untereinander bewegen. Heute lässt sich dieser Materiezustand im Miniaturformat an großen Teilchenbeschleunigern reproduzieren. Nach wie vor gibt das Quark-Gluon-Plasma der Wissenschaft große Rätsel auf: So ist bis heute nicht genau geklärt, warum ein Quark-Gluon-Plasma gewissermaßen eine perfekte Flüssigkeit darstellt. Seine Viskosität – ein Maß für die Zähigkeit einer Substanz – ist niedriger als bei allen Flüssigkeiten, die wir kennen. Außerdem ist unklar, wie die Teilchen ihre Geschwindigkeiten und Richtungen in kürzester Zeit ganz ungeordnet untereinander verteilen, auch wenn ihnen anfangs eine bevorzugte Startrichtung vorgegeben wird.

Videoclip in Yoctosekunden-Länge

Ein Schlüssel zum Verständnis dieses exotischen Materiezustands könnten die „Plasma-Instabilitäten“ sein – spontan auftretende Ströme im Plasma: „Man kann sich das vorstellen wie elektrische Ströme – allerdings gibt es im Quark-Gluon-Plasma gleich acht verschiedene Sorten davon“, erklärt Andreas Ipp vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien, der gemeinsam mit  Professor Anton Rebhan und dem amerikanischen Physiker Mike Strickland (Gettysburg) an Quark-Gluon-Plasma forscht. Ähnlich wie elektrischer Strom mit elektromagnetischen Feldern zusammenhängt, sind die Ströme im Plasma mit Gluonen-Feldern gekoppelt. In aufwändigen Computersimulationen konnten die TU-Forscher nun erstmals visualisieren, wie sich  „gluonische“ Plasma-Instabilitäten entwickeln. „Die Computersimulation, die wir hier bei uns am Vienna Scientific Cluster durchführen konnten, nahmen Wochen an Rechenzeit in Anspruch – der simulierte Prozess selbst dauert nur einige Yoctosekunden“, erkärt Andreas Ipp. Eine Yoktosekunde (10^-24 Sekunden) ist ein Millionstel eines Milliardstels einer Milliardstelsekunde.

Der dumpfe Sound des Quark-Gluon-Plasmas

Die Ergebnisse der Simulation wurden  zur Unterstützung der mathematischen Analysen auch als Video mit Ton aufbereitet: Die Stärke der Gluonen-Felder sind graphisch durch Pfeile dargestellt, ihre verschiedenen Ladungen durch Farben dargestellt, und die Wellenlängen wurden in hörbaren Ton umgewandelt. Ließe man das Video in Originalgeschwindigkeit laufen, würde man freilich nichts hören: Frequenzen im Yoctosekunden-Bereich lägen mindestens 71 Oktaven über dem Kammerton a‘ – und wären daher um viele Größenordnungen höher als alles, was wir wahrnehmen können.

Am Anfang des Videos bauen sich die Plasma-Instabilitäten auf – benachbarte Feld-Pfeile zeigen meist in dieselbe Richtung, die langen Wellenlängen der Plasma-Instabilität sind als tiefes Brummen hörbar. Später führen komplizierte Wechselwirkungen der Gluonen dazu, dass sich Turbulenzen ausbilden, die die Regelmäßigkeit auflösen, wodurch die Felder an unterschiedlichen Orten in völlig unterschiedliche Richtungen zeigen und der gleichmäßige Ton zum wirren Rauschen wird. Von der detaillierten Analyse dieser Turbulenzen erhoffen sich die Physiker Erklärungen für die experimentellen Beobachtungen, die bei Schwerionenkollisionen am CERN gemacht werden. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Krebsstammzellen – Kurze RNA spielt eine wichtige Rolle

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 23.09.2011

Regensburger Forscher entdecken neuen Tumorhemmer

Krebsstammzellen sind besonders heimtückisch. Im Unterschied zu normalen Krebszellen überstehen Stammzellen eine Chemo- oder Strahlentherapie häufig unbeschadet. Sie verkriechen sich in Nischen und können dort für längere Zeit in einer Art Ruhezustand verharren, bevor sie irgendwann wieder erwachen, sich teilen und neues Tumorwachstum anregen. So sind sie mitunter dafür verantwortlich, dass der Krebs nach einer ersten erfolgreichen Behandlung wiederkehrt. Seit einigen Jahren sind Krebsstammzellen deshalb in den Blickpunkt der Forschung gerückt. Denn sie sind der zentrale Gegner im Kampf gegen Krebs. Die Ausschaltung von Stammzellen könnte ein Ansatz für die Entwicklung neuer Krebstherapien sein. Allerdings gibt es eine Reihe offener Fragen, gerade was die Zusammenhänge auf molekularer Ebene angeht.

Einem Forscherteam der Universität Regensburg gelang es nun, über die Untersuchung der Bedeutung von kleinen RNA-Molekülen für die Entwicklung von Stammzellen des Glioblastoms – des häufigsten bösartigen Hirntumors bei Erwachsenen – etwas Licht ins Dunkel zu bringen. Die sogenannten MikroRNAs (miRNAs) sind kleinste Formen der Ribonukleinsäure, die wesentliche Funktionen bei der Genregulation in Zellen erfüllen. Die Wissenschaftler um Prof. Dr. Gunter Meister vom Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie konnten nachweisen, dass miRNAs auch in den Stammzellen des Glioblastoms produziert werden. Mehr noch: einzelne miRNA-Typen finden sich nach der Analyse der Forscher sogar in einer sehr großen Zahl in den Tumorstammzellen und scheinen auch deren Eigenschaften als Stammzellen zu festigen.

Vor diesem Hintergrund analysierten die Forscher die Funktionsweise dieser bestimmten miRNA-Typen. Als Zielmolekül der miRNA identifizierten die Wissenschaftler das Protein CAMTA1. Die miRNA-Moleküle regulieren demnach die Zahl der CAMTA1-Proteine in den Zellen. Je weniger miRNA-Moleküle existieren, desto mehr CAMTA1-Proteine liegen vor. Über Versuche mit Nacktmäusen konnten die Forscher zudem klären, dass eine erhöhte Zahl von CAMTA1-Proteinen das Wachstum von Glioblastom-Tumoren im Allgemeinen hemmt – CAMTA1 tritt also als Tumorsuppressor bzw. -hemmer auf. Entsprechend geht eine verstärkte Produktion von CAMTA1 in den Zellen mit einer erhöhten Überlebenschance von Patienten mit Glioblastom-Erkrankung einher. Die Untersuchungen der Regensburger Forscher könnten die Grundlage für neue Behandlungsmöglichkeiten bei der Bekämpfung des Glioblastoms darstellen.

Die Ergebnisse des Teams um Gunter Meister sind vor kurzem in der international renommierten Fachzeitschrift „EMBO Journal“ veröffentlicht worden, die von der „Nature Publishing Group“ herausgegeben wird (DOI: 10.1038/emboj.2011.301). (Alexander Schlaak)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Wie Fische auf Wellen: Elektronen surfen

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 22.09.2011

RUB-Forscher in Nature: Transport einzelner Elektronen geglückt

Auf dem Weg zum komplexen Quantenbit und dem Computer von morgen

Ein entscheidender Schritt zu erheblich leistungsfähigeren Computern ist Physikern der RUB zusammen mit Forschern aus Grenoble und Tokyo gelungen: Aus dem Schwarm an Elektronen in elektrischen Leitern und Halbleitern konnten sie mit Hilfe einer Schallwelle ein einzelnes Elektron herauspicken und transportieren. Wie ein Fisch auf einer Welle „surft“ das Elektron von einem Quantenpunkt zum nächsten. Ein einzelnes Elektron auf diese Weise zu manipulieren erlaubt es in Zukunft, statt klassischer Bits („0“- und „1“-Zustände) auch die wesentlich komplexeren Quantenbits zu kombinieren. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der internationalen Top-Zeitschrift „Nature“.

Halbleiterphysik: Der Traum eines Anglers

Elektronen sind in elektrischen Leitern (Metallen) und Halbleitern wie Silizium (Si) oder Galliumarsenid (GaAs) frei beweglich wie Fische im Wasser. Allerdings können sie nicht von selbst „schwimmen“, sondern bewegen sich durch elektrische Spannungen (Felder). In einem Metall kommen sie als gewaltiger Fischschwarm vor, der das gesamte Wasservolumen ausfüllt. In Halbleitern sind diese Schwärme weniger dicht, die Abstände zwischen den Fischen sind viel größer. Der Schwarm lässt sich durch äußere elektrische Spannungen zu einer dünnen Schicht nahe der Oberfläche zusammenziehen. Dieser „Traum eines Anglers“ geht für Halbleiterphysiker jetzt in Erfüllung, möglich macht das die neue Methode, die das internationale Forscherteam entwickelt hat: Die Elektronen“fische“ liegen alle in einer Ebene und sind von der Oberfläche aus gut einzeln zugreifbar.

Einen aus der Masse fischen

„Allerdings gibt es keine ‚dicken‘ Fische, denn alle Elektronen sind genau gleich groß und sogar prinzipiell identisch“, erläutert Prof. Dr. Andreas Wieck, Physiker an der RUB. Das Verfahren der Forscher aus Deutschland, Frankreich und Japan ermöglicht es dennoch, aus dem Schwarm einzelne Elektronen „herauszufischen“, über eine bestimmte Strecke zu bewegen und sie dann am Zielpunkt wieder nachzuweisen. Die Strecke betrug im Experiment vier Mikrometer (μm) – das ist zwanzigmal länger als ein hochintegrierter Transistor. Der gezielte Transport einzelner Elektronen trotz der Masse des Schwarms gelingt, indem zuerst zwischen den Spitzen von vier Elektroden ein kleiner Schwarm zu einem nulldimensionalen Objekt, einem „Quantenpunkt“, eingepfercht wird. Dann senden die Wissenschaftler durch eine ineinandergreifende Doppelkamm-Elektrode, an die sie Radiofrequenz anlegen, eine Welle durch den Halbleiterkristall – der ist vergleichbar mit dem Wasser für die Fische. Das Verfahren funktioniert umgekehrt wie der Spannungsblitz in einem „Piezo“-Feuerzeug: Dort wird ein Kristall deformiert, um eine Spannung zu erzeugen; hier deformieren die Forscher den Kristall durch das Anlegen der Spannung, was bei regelmäßiger Wiederholung zu einer Welle führt.

Der Fisch surft auf der Welle

Diese Welle fegt in einer vorgefertigten Probe beispielsweise von links nach rechts mit Schallgeschwindigkeit durch den Mini-Schwarm im Quantenpunkt – im Kristall mit drei Kilometern pro Sekunde. In ihrer Höhe wird sie so eingestellt, dass sie nur genau einen „Fisch“ daraus mitnimmt, der dann auf der Welle im eindimensionalen Kanal „surft“. 4μm rechts davon entfernt befindet sich ein weiterer Quantenpunkt, in dem der „Fisch“ ankommt. Durch die Wiederholung von Wellenpaketen und Messungen konnten die Forscher eine gute Statistik aufbauen, um die Sicherheit des Verfahrens zu messen. Ein einzelnes Elektron mit der Welle herauszupicken, funktionierte in den ersten Experimenten mit einer Wahrscheinlichkeit von 96 Prozent; es wiederzufinden mit 92 Prozent.

Der Clou: Die Ausrichtung der Fische

Die Elektronen“fische“ sind zwar nicht unterscheidbar, können aber ausgerichtet werden, weil sie wie kleine Kreisel eine Drehrichtung („Spin“) haben. Das ist so, als ob man einen Fisch zum Beispiel mit „Kopf nach oben“ ausrichtet, ihn von der Welle mitreißen lässt und ihn im Ziel-Quantenpunkt auch mit „Kopf nach oben“ wiederfindet. Dadurch, dass die Überlebenszeit dieser Spin-Orientierung länger ist als die Surf-Zeit auf der Welle, geschieht das mit hoher Sicherheit. Auch die Quantenbits der Zukunft bestehen aus solchen spin-polarisierten Elektronen. Ihre Forschungsergebnisse erzielten die Wissenschaftler mit Proben, die am Lehrstuhl für Angewandte Festkörperphysik der Ruhr-Universität Bochum durch so genannte Molekularstrahl-Epitaxie hergestellt, in Tokyo strukturiert und schließlich in Grenoble vermessen wurden. Nicht nur die Proben, sondern auch die Konzepte kommen aus Bochum: Prof. Wieck hat bereits vor 21 Jahren die Vision eines Elektronen-Richtkopplers publiziert, den die Forschergruppe jetzt realisiert hat. Dazu erscheint in Kürze eine weitere Veröffentlichung. (Jens Wylkop)

Titelaufnahme:
Sylvain Hermelin, Shintaro Takada, Michihisa Yamamoto, Seigo Tarucha, Andreas D. Wieck, Laurent Saminadayar, Christopher Bäuerle and Tristan Meunier: Electrons surfing on a sound wave as a platform for quantum optics with flying electrons. DOI: 10.1038/nature10416

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

Hirntumore bei Kindern

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Presseinformation der LMU München vom 19.09.2011

Regulatorisches Protein neuer Ansatzpunkt für Therapie

Medulloblastome sind die häufigsten bösartigen Hirntumoren im Kindesalter. Der Krebs entsteht aus unreifen embryonalen Zellen und kann noch nicht kausal behandelt werden. Wissenschaftler um Privatdozent Ulrich Schüller vom Zentrum für Neuropathologie und Prionforschung der LMU konnten nun zeigen, dass das regulatorische Protein FoxM1 essentiell für das Wachstum der Tumorzellen ist. Dabei korreliert der FoxM1-Level signifikant mit der Überlebensdauer der Patienten. Deshalb eignet sich das Protein als prognostischer Marker, der in Zukunft Ärzten helfen könnte, die Aggressivität des Tumors einzuschätzen und eine optimale Therapiestrategie für den Patienten zu entwickeln. Und auch für neue Therapien könnte FoxM1 ein Ansatzpunkt sein: Schüller gelang es, FoxM1 mit dem Antibiotikum Siomycin A herunter zu regulieren und so das Wachstum der Tumorzellen zu hemmen. „Sollten sich diese Ergebnisse in weiteren Versuchen im Labor und am lebenden Organismus bestätigen, könnte Siomycin sich als wirksames Medikament entpuppen“, hofft Schüller. (Clinical Cancer Research, published OnlineFirst 14.September 2011)

Forschungen der letzten zehn Jahre haben gezeigt, dass Medulloblastome durch die Fehlregulation bestimmter Signalwege verursacht werden. Schüller untersuchte mit seiner Gruppe, ob der Transkriptionsfaktor FoxM1 für das Tumorwachstum eine Rolle spielt und ob er sich als therapeutischer Angriffspunkt für eine kausale Therapie eignet.

Transkriptionsfaktoren regulieren die Umsetzung der im Erbmolekül DNA enthaltenen Informationen in Proteine. Forkhead-Box-Proteine (Fox) sind Transkriptionsfaktoren, die vor allem das Zellwachstum – die sogenannte Proliferation, die Zellspezialisierung und die Lebensdauer von Zellen steuern. FoxM1 aktiviert die Proliferation, indem es die entsprechenden Gene an- und proliferationshemmende Gene abschaltet. Da unkontrollierte Proliferation ein Charakteristikum von Krebszellen ist, ist FoxM1 auch für die Krebsforschung sehr interessant. Für verschiedene Krebsarten – etwa Brustkrebs, Lungenkrebs oder Prostatakrebs – wurden bereits erhöhte FoxM1-Level im erkrankten Gewebe nachgewiesen und gezeigt, dass das Protein für das Tumorwachstum notwendig ist. Schüller konnte mit seinem Team nun nachweisen, dass dies auch für Medulloblastome gilt.

„Ein wichtiges Ergebnis ist auch, dass der FoxM1-Level in Medulloblastomen mit der Überlebensdauer der Patienten korreliert“, sagt Schüller. Da FoxM1 im Labor relativ einfach bestimmbar ist, eignet sich das Molekül daher möglicherweise als prognostischer Marker, der für Therapieentscheidungen eine Rolle spielen könnte: Moderne Behandlungskonzepte kombinieren die chirurgische Tumorentfernung mit Chemo- und Strahlentherapien, die aber schwere Nebenwirkungen haben. Allerdings gibt es sechs Untergruppen von Medulloblastomen, deren Aggressivität und klinische Prognose recht unterschiedlich ist. „Deshalb wäre ein guter prognostischer Marker um die Aggressivität des Tumors einzuschätzen sehr wünschenswert“, sagt Schüller – so könnte die Art der Behandlung besser an den Patienten angepasst werden und der Arzt muss nicht möglicherweise mit Kanonen auf Spatzen schießen.

Da FoxM1 für das Wachstum der Tumorzellen essentiell ist, ist das Protein auch ein hoch interessanter Ansatzpunkt für neue Therapien: Mithilfe des Antibiotikums Siomycin A, das gezielt die Produktion von FoxM1 bremst, gelang es Schüller tatsächlich, das Wachstum von Medulloblastomzellen zu hemmen. Damit werden die Ergebnisse anderer Wissenschaftler unterstützt, die die hemmende Wirkung von Siomycin A auf Brustkrebszellen berichteten. Besonders wichtig: Schüllers Untersuchungen zeigten, dass FoxM1 zwar für das Tumorwachstum essentiell ist, im Rahmen der normalen Entwicklung aber offensichtlich durch andere Faktoren kompensiert werden kann – seine Blockade durch Siomycin A also keine negativen Folgen für gesunde Zellen hat. Daher eröffnet Siomycin A möglicherweise zum ersten Mal die Chance, in die Mechanismen der Tumorentstehung einzugreifen und Medulloblastome kausal anzugreifen.

Die Arbeiten entstanden im Rahmen der von der Deutschen Krebshilfe geförderten Max-Eder-Nachwuchsgruppe „Pädiatrische Neuroonkologie“, die von Ulrich Schüller geleitet wird. (göd)

Publikation:
„Expression of FoxM1 is required for the proliferation of medulloblastoma cells and indicates worse survival of patients“;
M. Priller, J. Poschl, L. Abrao, A.O. von Bueren, Y.-J. Cho, S. Rutkowski, H.A. Kretzschmar, U. Schüller;
Clinical Cancer Research, Published OnlineFirst, 14.September 2011;
doi: 10.1158/1078-0432.CCR-11-1214

Externer Link: www.uni-muenchen.de