Archiv des Monats: November 2011

Intelligentes Licht warnt vor Kollisionsgefahren

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 15.11.2011

Innovatives Fahrerassistenzsystem für mehr Sicherheit auf nächtlichen Straßen

Feuchtes Laub, Nebel, Regen und vor allem frühe Dunkelheit machen gerade in den Wintermonaten vielen Autofahrern das Leben schwer – und die Straßen gefährlich. Eine innovative Technologie des KIT bringt Licht ins Dunkle: Am Institut für Mess- und Regelungstechnik, das Professor Christoph Stiller leitet, hat Marko H. Hörter ein Fahrerassistenzsystem entwickelt, das Personen und Tiere am Straßenrand mit Licht markiert und so deutlich früher erkennbar macht.

Sehen und Gesehenwerden sind im nächtlichen Straßenverkehr entscheidend. „Gerade bei Fahrten in der Dämmerung steigt die Wahrscheinlichkeit, in einen Unfall mit einem Fußgänger, Radfahrer oder Wild verwickelt zu werden, exponentiell“, sagt Marko H. Hörter. Zwar gebe es bereits Fahrerassistenzsysteme auf Basis von Infrarot-Kameras, doch bisher müsse der Fahrer die Bilder noch selbst auf einem Display anschauen. „Das lenkt ab und kann wertvolle Reaktionszeit kosten.“ Deshalb geht Hörters Technologie einen Schritt weiter: Ein komplexes mechatronisches System übernimmt vollautomatisch die Bildanalyse und leuchtet bei Bedarf potenzielle Gefahren am Straßenrand mit einem sehr präzisen Lichtspot aus besonders hellen LED-Lampen kurz an. So wird der Fahrer aufmerksam, ohne die Augen von der Fahrbahn nehmen zu müssen.

Dass die neue Technologie die Sicherheit im nächtlichen Straßenverkehr tatsächlich erhöht, konnte der Wissenschaftler in einem zweiwöchigen Praxistest mit 33 Probanden auf einer Landstraße bei Bad Bergzabern bestätigen. Mit Hilfe beheizbarer Reh- und Personenfiguren hat er die Wahrnehmungszeit sowie die daraus resultierende Erkennbarkeitsentfernung bei Fahrern mit und ohne Fahrerassistenzsystem verglichen. Das Ergebnis: Mit markierendem Licht erkannten die Fahrer die Gefahren im Schnitt 35 bis 40 Meter früher, damit hatten sie zwei bis drei Sekunden mehr Zeit zum Reagieren.

Hinter der Entwicklung stecken vier Jahre Arbeit und die Mitarbeit von zwölf Studierenden. Die in die Motorhaube des Versuchsautos eingebaute Wärmebildkamera ist nur der Anfang des Erkennungs- und Markierungsprozesses. Kernstück der Innovation ist die anschließende Rechenleistung: „Während der Fahrt muss eine riesige Datenmenge schnellstmöglich analysiert werden. Das umzusetzen, war eine der größten Schwierigkeiten“, erklärt Marko H. Hörter. Der Computer, der in weniger als 40 Millisekunden jedes einzelne Bild der Infrarotkamera untersucht, ist in der Lage, Personen und Tiere von anderen Objekten zu unterscheiden. Zudem kann er aus 2-D-Bildern ihre reale 3-D-Position, Geschwindigkeit und Richtung ermitteln und die Kollisionsgefahr errechnen. Nur wenn diese tatsächlich besteht, gibt er ein Signal an das Lichtsystem. Dort ermöglicht eine bewegliche Apparatur eine präzise und blendfreie Ausrichtung des Spots, der mit blinkendem, blau-weißem Licht gezielt die potenzielle Gefahr markiert. (sko)

Externer Link: www.kit.edu

Saarbrücker Physiker entwickeln Lichtspeicher aus Diamant im Nanometerbereich

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 14.11.2011

Hundertprozentige Sicherheit gibt es nicht? Doch, gibt es. Und zwar auf dem Gebiet der Quanteninformation, der Signalübertragung mit einzelnen Lichtteilchen. Nun haben Wissenschaftler um Professor Christoph Becher einen winzigen Lichtspeicher aus Diamant hergestellt, mit dem sie die Erzeugung der benötigten einzelnen Lichtteilchen deutlich steigern konnten. Die Herstellung der extrem kleinen Lichtspeicher – oder Resonatoren – auf der Nanometerskala erfolgte in einer interdisziplinären Kooperation mit Saarbrücker Materialwissenschaftlern und Physikern der Universitäten Augsburg, Freiburg und Kaiserslautern. Mit der Demonstration der Diamant-Lichtspeicher haben die Forscher die Grundlagen für zukünftige Anwendungen auf dem Gebiet der Quantenkommunikation verbessert. Denn Wissenschaftler können nun daran forschen, wie sie diesen Lichtspeicher, der aus Diamantspiegeln besteht, mit anderen Komponenten verbinden. So könnte in der Zukunft ein Diamant-Chip entwickelt werden, der eine Quantenkommunikation realistisch macht, die der heutigen Technologie in Sachen Sicherheit und Geschwindigkeit weit überlegen ist. Über die Entwicklung des Lichtspeichers berichten die Physiker im renommierten Fachmagazin Nature Nanotechnology.

Der verwendete Diamant wird künstlich hergestellt und hat annähernd ideale Eigenschaften, was Reinheit und Transparenz angeht. Zur Fabrikation dieser Lichtkäfige wurde zuerst eine nur 300 Nanometer dünne Membran präpariert. Um den Diamanten für das ausgesandte Licht hochreflektierend zu machen und so die Erzeugungsrate der Lichtteilchen oder Photonen massiv zu erhöhen, wird eine sogenannte photonische Kristallstruktur verwendet. Dazu haben Janine Riedrich-Möller und Laura Kipfstuhl sowie weitere Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Quantenoptik um Professor Christoph Becher in die Diamantmembran Löcher mit etwa 80 Nanometern Durchmesser „gebohrt“. Das entspricht etwa einem Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Durch mehrfache Reflexionen (so genannte Bragg-Reflexionen) an den Lochseitenwänden werden die von Atomen im Diamant ausgesandten Lichtteilchen, also die Informationsträger, wie in einem Käfig in der Mitte der Lochstruktur gespeichert.

Zur Erzeugung der Lichtteilchen selbst verwenden die Wissenschaftler so genannte Farbzentren. Das sind Fremdatome, die fest in das Kristallgitter des Diamanten eingebettet sind. Im Gegensatz zu „echten“ Atomen sind diese Farbzentren deutlich einfacher zu handhaben und erfordern weder aufwändige Vakuumanlagen noch komplizierte Kühlmechanismen um Lichtteilchen mit den gewünschten Eigenschaften auszusenden.

Die Realisierung der Nano-Resonatoren gilt als essentiell für die künftige Nutzung von Farbzentren für die Quanteninformationsübertragung sowie für die Integration mehrerer Komponenten, um Lichtteilchen auf einem einzigen Chip zu erzeugen und zu übertragen. Das grundlegende Konzept der Saarbrücker Physiker bildet die Basis für zukünftige Experimente, in denen die Emission der Photonen kontrolliert, ihre Eigenschaften beeinflusst und Lichtteilchen mehrerer entfernter Farbzentren miteinander in Wechselwirkung gebracht werden sollen. Diese Schritte rücken die Vision einer Quanteninformationstechnologie, basierend auf einem Diamant-Chip, in greifbare Nähe.

Veröffentlichung:
Janine Riedrich-Möller, Laura Kipfstuhl, Christian Hepp, Elke Neu, Christoph Pauly, Frank Mücklich, Armin Baur, Michael Wandt, Sandra Wolff, Martin Fischer, Stefan Gsell, Matthias Schreck and Christoph Becher: „One- and two-dimensional photonic crystal microcavities in single crystal diamond“, Nature Nanotechnology, online ab 13. November.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Plasma in Tüten

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.11.2011

Geschlossene Plastikbeutel lassen sich mit Hilfe von Plasmen bei Atmosphärendruck so verändern, dass an ihren Wänden menschliche Zellen anhaften und sich vermehren können. Solche Zellkulturbeutel stellen ein wichtiges Hilfsmittel für Forschung und Klinik dar und könnten vielleicht eines Tages die heutigen Petrischalen ablösen.

Ärzte setzen bei Therapien immer häufiger lebende Zellen ein: bei der Bluttransfusion ebenso wie bei Knochenmarkstransplantationen, bei Stammzelltherapien oder nach schweren Verbrennungen. Zellen, die vom Patienten selbst stammen, sind ideal, um verbrannte Haut zu ersetzen, Immundefekte zu beheben, degenerierte Knorpel zu reparieren oder verletzte Knochen zu heilen, denn sie werden vom Immunsystem nicht abgestoßen. Dazu ist es nötig, solche Zellen patientenspezifisch aufzubewahren, zu züchten, zu vermehren oder gar zu verändern. Problematisch ist jedoch die Haltbarkeit der verwendeten Zelllösungen. Da sie leicht durch Keime infiziert werden, lassen sie sich in den heute üblichen Gefäßen meist nur wenige Tage lagern. Das Verbundprojekt InnoSurf sollte da Abhilfe schaffen: Wissenschaftler aus fünf Forschungseinrichtungen haben mit Partnern aus der Industrie neuartige Kunststoffoberflächen und Messverfahren zur effizienten Gewinnung von humanen Zellen für diagnostische und therapeutische Anwendungen entwickelt. Die Arbeiten wurden vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) in Braunschweig koordiniert.

Die Idee ist, die Zellen in geschlossenen, sterilen Kunststoffbeuteln zu kultivieren. Dazu muss man die innere Oberfläche der Beutel so verändern, dass sie Zellen gute Überlebensbedingungen bieten. Ein Team um Dr. Michael Thomas am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik IST in Braunschweig hat dafür nun ein plasmatechnisches Verfahren bei Atmosphärendruck entwickelt. »Wir befüllen die Beutel mit einem spezifischen Gasgemisch und legen eine elektrische Spannung an«, erklärt die wissenschaftliche Mitarbeiterin Dr. Kristina Lachmann. »So entsteht im Inneren für kurze Zeit ein Plasma – also ein leuchtendes, ionisiertes Gas -, das die Kunststoffoberfläche chemisch verändert.« Bei diesem Prozess bleibt der Beutel steril, da Plasmen auch eine desinfizierende Wirkung besitzen. »Der Vorteil des Verfahrens ist, dass es bei Atmosphärendruck arbeitet und damit preiswert, schnell und flexibel ist«, betont Gruppenleiter Dr. Michael Thomas, der auf die Anwendung von solchen Atmosphärendruck-Plasmen zur Veränderung von Oberflächen spezialisiert ist.

Die neuartigen Beutel erleichtern den sterilen Umgang mit den Zellkulturen. Bisher mussten Forscher und Mediziner offene Petrischalen, Flaschen oder Bioreaktoren nutzen. Da diese Systeme zumindest zum Befüllen geöffnet werden müssen, kommt es leicht zu Verunreinigungen. Beim Verwenden geschlossener Beutelsysteme der neuen Technik hingegen wandern die Zellen direkt über eine Injektionsnadel oder durch angeschlossene Schlauchsysteme in den Beutel, ohne mit der Umgebung in Berührung zu kommen. Im sterilen Inneren der Beutel befinden sich das Nährmedium und keimfreie Luft oder ein geeignetes Gas, das man vorher zugegeben hat. Auch während des Kultivierungsprozesses muss man die Behältnisse nicht öffnen, und am Ende lassen sich die Zellen erneut über eine Injektionsnadel entnehmen.

Die Forscher wollen die Einwegsysteme vielleicht auch zum Züchten künstlicher Organe verwenden. Rüstet man die Beutel mit einer dreidimensionalen Struktur aus, könnten sich darauf Zellen festsetzen und künstliche Haut, Nerven, Knorpel oder Knochen bilden, die man dann dem Patienten als Prothesen einsetzen könnte. Bisher scheiterte deren Züchtung meist daran, dass sich die Stammzellen nicht auf räumlichen Gebilden festsetzen wollten. Das am IST entwickelte Plasmaverfahren könnte dieses Problem lösen. Das Städtische Klinikum Braunschweig will in Zusammenarbeit mit der Universität Tübingen aus Gewebeproben bestimmte Stammzellen isolieren und untersuchen, auf welchen der neuen Kunststoff-Oberflächen sie sich etwa zu Knochen oder Knorpel entwickeln. Für diese Entwicklung der Gruppe von Dr. Michael Thomas wurde das IST als »Ausgewählter Ort 2011« im »Land der Ideen« ausgezeichnet. Die Preisverleihung findet am 8. Dezember 2011 am IST in Braunschweig statt.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Nanoforscher untersuchen Karies

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.11.2011

Forscher der Universität Basel und des Paul Scherrer Instituts konnten im Nanomassstab zeigen, wie sich Karies auf die menschlichen Zähne auswirkt. Ihre Studie eröffnet neue Perspektiven für die Behandlung von Zahnschäden, bei denen heute nur der Griff zum Bohrer bleibt. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift «Nanomedicine» veröffentlicht.

Bei Karies, der häufigsten Zahnerkrankung, greifen von Bakterien produzierte Säuren die Zähne an und lösen die in Zahnschmelz, Zahnbein (Dentin) und Wurzelzement vorhandenen Mineralien heraus. Solange der äussere Zahnschmelz intakt ist, lassen sich erste Schadstellen durch Fluoridpräparate und durch eine gute Zahnhygiene in begrenztem Mass remineralisieren. Was beim Zahnschmelz noch teilweise funktioniert, gilt aber nicht für das Zahnbein: Sind die Bakterien und Säuren einmal tiefer ins Dentin eingedrungen, muss der Zahnarzt die betroffene Stelle weiträumig mit dem Bohrer entfernen, bevor der Zahn mit einer Füllung rekonstruiert werden kann.

Remineralisierung des Dentins angestrebt

Das Zahnbein besteht nicht nur aus keramischen Komponenten, sondern enthält etwa zu einem Fünftel auch organisches Material. Bereits früher wurde vermutet, dass diese organischen Bestandteile – insbesondere bestimmte Struktureiweisse (Kollagen) – von einer Schädigung unberührt bleiben und dass ihre Struktur Ausgangspunkte für eine Remineralisierung bieten könnte. Um diese Hypothese zu überprüfen, nutzten die Forscher um Prof. Bert Müller vom Biomaterials Science Center der Universität Basel eine Röntgenstreumethode, um die Kollagendichte von gesunden und kariösen Zahnstellen miteinander zu vergleichen.

Dazu zersägten die Forscher gesunde und kariöse Zähne in dünne Scheibchen von 0,2 bis 0,5 Millimeter und untersuchten sie mithilfe eines als ortsaufgelöste Kleinwinkelröntgenstreuung (Scanning Small-Angle X-ray Scattering, SAXS) bezeichneten Verfahrens. Bei der Untersuchung stellten sie fest, dass die Kariesbakterien zunächst nur die keramischen Komponenten des äusseren Zahnschmelzes und des darunter liegenden Zahnbeins zerstören. Hingegen bleibt in einem frühen bis mittlerem Kariesstadium ein erheblicher Teil des kollagenen Grundgerüsts des Zahns erhalten.

Die Wissenschaftler vermuten deshalb, dass ihr Verfahren künftig nicht nur die Entwicklung biomimetische Zahnfüllungen ermöglichen wird, sondern dass auch Kariesbehandlungen entwickelt werden können, welche auf dem unbeschädigten Kollagengerüst aufbauen und die Remineralisierung des geschädigten Dentins beispielsweise mit Nanopartikeln erlauben.

Originalbeitrag:
Hans Deyhle, Oliver Bunk, Bert Müller
Nanostructure of healthy and caries-affected human teeth
Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine (in press) | doi: 10.1016/j.nano.2011.09.005

Externer Link: www.unibas.ch

Ballkamera mit Rundumblick

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Medieninformation der TU Berlin vom 08.11.2011

Erfindung wird in Hongkong präsentiert

Panoramabilder aus dem Urlaub waren bislang eher etwas für Tüftler, die stundenlang zu Hause Papierbilder zusammenpuzzelten oder digital zusammenschnitten. Mit einer neuen Erfindung aus der TU Berlin hat solches Tun zukünftig ein Ende. Eine 360-Grad-Rundumpanorama-Wurfkamera, die wie ein Ball in die Höhe geworfen werden kann und am höchsten Punkt dann 36 Aufnahmen macht, macht’s möglich.

Erfunden hat die Ballkamera ein Team rund um Jonas Pfeil, der sie im Zuge seiner Diplomarbeit „Throwable Camera Array for Capturing Spherical Panoramas“ entwickelt hat. Die Arbeit entstand am TU-Fachgebiet Computer Graphics, betreut von Prof. Dr. Marc Alexa und Prof. Dr. Bernd Bickel.

„Die Idee kam mir auf einer Wanderung auf den Tonga-Inseln, während meines Auslandsstudienjahres in Neuseeland. Ich war so fasziniert von der Landschaft, dass ich viele Panoramen aus überlappenden Fotos aufgenommen habe. Das dauert lange und ist umständlich. Außerdem kann man keine bewegten Motive fotografieren“, erzählt Jonas Pfeil. Kreativ war der ehemalige Student der Technischen Informatik aber schon immer. Als Schüler nahm der heute 28-Jährige mehrmals am „Jugend forscht“-Wettbewerb teil. 2002 erreichte er sogar zusammen mit seinem Team den zweiten Platz mit der Navigation für einen autonomen Roboter. „GPS im Kinderzimmer“ hieß das Projekt.

Auf den ersten Blick sieht seine Wurfkamera wie ein grüner Schaumstoff-Fußball aus. Doch rundum sind 36 kleine Digitalkameras mit je zwei Megapixeln installiert. Am höchsten Punkt der Flugbahn lösen alle 36 gleichzeitig aus. Ein Beschleunigungssensor ermittelt diesen Punkt.

Übertragen werden die Bilder einfach per USB-Anschluss auf den PC. „Das Panoramabild wird durch eine besondere Software, eine sogenannte Stitching-Software, aus den Einzelbildern automatisch zusammengesetzt“, erläutert Kristian Hildebrand, der zusammen mit Jonas Pfeil an der Entwicklung der Kamera beteiligt war. So können Benutzer interaktiv die aufgenommene Umgebung vollständig erkunden. Doch auch der Spaß soll nicht zu kurz kommen: „Wir haben festgestellt, dass unsere Panoramawurfkamera die Fotografie um ein weiteres interessantes und spielerisches Element ergänzt“, so Kristian Hildebrand.

„Es ist natürlich derzeit nur ein Prototyp“, sagt Jonas Pfeil, „wir hoffen aber, dass wir sie weiter zur Marktreife entwickeln können und sie dann in den Handel kommt.“ So will Jonas Pfeil, der bereits ein Patent angemeldet hat, die Ballkamera noch handlicher machen, sie etwa auf Tennisballgröße schrumpfen lassen. Verhandlungen für eine Serienproduktion haben die jungen Erfinder schon aufgenommen. Etwa 100 Euro könnte diese neue Form, Urlaubsbilder zu schießen, dann kosten.

Interesse ist übrigens an der Wurfkamera nicht nur hierzulande vorhanden. Sie werde im Moment auf der ganzen Welt wahrgenommen, so der betreuende Professor Marc Alexa. „Ende des Jahres werden wir sie auf der ‚SIGGRAPH Asia‘ in Hongkong vorstellen, einer Konferenz und Ausstellung für Computer Graphics und interaktive Technik.“ (pp)

Externer Link: www.tu-berlin.de