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Mit Kugeln optimal messen

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.12.2017

Bioreaktoren sind die Kochtöpfe der Biochemiker und Biotechnologen, in denen Arzneiwirkstoffe, Enzyme oder Fadenwürmer zur biologischen Schädlingsbekämpfung hergestellt werden. Man nehme eine Nährlösung, gegebenenfalls Wärme, Sauerstoff, Säure oder Lauge zur Regulierung des pH-Wertes und es entsteht das gewünschte Produkt. Je optimaler die Bedingungen, desto größer der Ertrag. Fraunhofer Forscher haben jetzt Messsonden in Kugelform entwickelt, mit denen sich der Herstellungsprozess besser überwachen und effizienter gestalten lässt.

Die richtige Temperatur entscheidet darüber, wie gut sich Mikroorganismen oder Zellen in einem Bioreaktor kultivieren lassen. Obwohl sich die Wärme im Reaktor unterschiedlich verteilt, ist die Temperatur bisher nur punktuell mit Stabsonden messbar, die durch vordefinierte Löcher gesteckt werden. »Mit unseren mobilen, etwa erbsengroßen Sensorkugeln können wir die Temperatur an vielen Orten gleichzeitig erfassen. Dadurch ist es möglich, die Wärmezufuhr exakt so zu regulieren, dass sie für den Herstellungsprozess optimal ist«, sagt Tobias Lüke, der die neuen Sens-o-Spheres-Messkugeln am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS in Kooperation mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Dresden und Projektpartnern aus der Industrie entwickelt hat. »Bei einem Liter sind die Temperaturunterschiede innerhalb eines Reaktors noch nicht so groß. Bei mehreren tausend Litern wächst der Fehler jedoch erheblich. Mit unserer präzisen Messtechnik gibt es weniger Probleme beim Upscaling der Volumina, also der Umstellung von kleinen Test-Reaktoren im Labor auf große in der Produktionshalle.«

Keine Beschränkungen

Ein weiterer Vorteil der Sens-o-Spheres: Während Stabsonden durch Kabel gebunden sind, sind die Kugeln mit einer aufladbaren Batterie ausgestattet. »Der Installationsaufwand ist daher gering. Die Sens-o-Spheres schwimmen einfach im Medium, so stören sie beispielsweise auch nicht beim Umrühren. Außerdem können sie sowohl problemlos in kilometerlangen Röhrenreaktoren und anderen innovativen Reaktortypen als auch in klassischen Kleinkultivierungsgefäßen wie dem Schüttelkolben eingesetzt werden. Gängige Messsysteme stoßen hier an ihre Grenzen«, erklärt Lüke.

Die erfassten Daten werden per Funk live an eine Basisstation übertragen. Dabei ist jeder Messwert einer bestimmten Kugel zugeordnet, denn jede verfügt über eine eigene ID. Je mehr Kugeln, desto höher die Messgenauigkeit. Eine Faustformel dafür, wie viele Kugeln notwendig sind, gebe es jedoch nicht. Es gelte: So viele Kugeln wie nötig, so wenige wie möglich.

Problemlos wiederverwertbar

Nach ihrem Einsatz können die Kugeln problemlos im sogenannten Autoklaven sterilisiert werden, denn die Elektronik ist robust und zudem sicher von einer Kapsel aus Polypropylen umschlossen – weder Feuchtigkeit noch hohe Temperaturen von rund 120 Grad Celsius und mehr, wie sie beim Autoklavieren üblich sind, können ihr etwas anhaben. Die Kugeln können daher steril gehalten, mit Hilfe eines speziell entwickelten induktiven Batterieladesystems aufgeladen und wiederverwendet werden.

Bald sollen die Messkugeln nicht nur die Temperatur, sondern auch den Sauerstoffgehalt und den pH-Wert erfassen können. »Außerdem wollen wir die Basisstation mit dem Gesamtsystem verbinden. Dann könnte der Herstellungsprozess aufgrund der gemessenen Werte automatisch geregelt werden. Die Kugeln sollen zudem geortet werden können, so dass man genau weiß, wo der Messwert erfasst wurde.«

Die Messkugeln sind nicht nur für die mikrobiologische Kultur- und Prozessentwicklung im Labor ideal, sondern könnten auch in der Arzneimittelherstellung, der Umweltmesstechnik oder beim Screening in der Medizin zum Einsatz kommen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Maschinen über die eigene Handfläche steuern: Nachwuchspreis für Medieninformatik-Student

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 24.11.2017

Wie kann man eine Maschine in einer Virtual-Reality-Anwendung ganz ohne Tastatur und Bediengeräte präzise steuern? Für diese Frage fand Dominic Gottwalles in seiner Masterarbeit im Fach Medieninformatik an der Saar-Uni eine überzeugende Lösung. In Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Centigrade GmbH entwickelte er eine virtuelle Industrieumgebung, in der Probanden eine Maschine virtuell über die eigene Handfläche steuerten. Für seine Masterarbeit erhielt Dominic Gottwalles jetzt den Nachwuchspreis „Digitalisierung im Maschinenbau“ vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau (VDMA).

In der Industrie sind zunehmend innovative Technologien gefragt, die auf virtuellen Anwendungen beruhen – beispielsweise, um Maschinen zu steuern oder zu warten. Eine zentrale industrielle Anwendung von Virtual Reality hat Dominic Gottwalles als  Medieninformatik-Student bei Informatik-Professor Antonio Krüger an der Universität des Saarlandes untersucht: „Bei der Konfiguration von Maschinen ist die Eingabe numerischer Werte essentiell. In meiner Masterarbeit wollte ich daher untersuchen, welche Möglichkeiten es gibt, Zahlenwerte in einer virtuellen Umgebung einzugeben.“ Daraus resultierte ein Konzept, das die Eingabe alleine mit den Händen des Benutzers ermöglicht. Das sei wichtig, um die Anwender nicht mit zusätzlichen Steuergeräten zu belasten, erklärt der Master-Absolvent, der seine Abschlussarbeit in Kooperation mit der Firma Centigrade GmbH angefertigt hat, die ihren Hauptsitz in Saarbrücken hat.

Mithilfe des Unternehmens setzte Gottwalles das von ihm ersonnene Konzept in einen Prototypen um: Als Test-Szenario entwarf er eine virtuelle Industriehalle mit Produktionsband, das aus mehreren Stationen bestand. An jeder Station mussten Probanden die Produktion durch die Eingabe von Zahlenwerten steuern. Dabei konnten sie über eine Brille eine virtuelle Repräsentation ihrer Hand mit abgebildetem Ziffernblock sehen und die entsprechenden Tasten durch Berührung der Handfläche auslösen. „Auf diese Weise ließen sich unter anderem die Benutzerfreundlichkeit und Leistungsfähigkeit des Prototypen beurteilen“, resümiert Dominic Gottwalles. Die Ergebnisse zeigten, dass es Sinn mache, die Steuerung über die Handfläche für industrielle Anwendungen weiterhin zu erforschen und zu erproben.

Seine Ergebnisse überzeugten nicht nur die VDMA-Jury, sondern auch das Unternehmen Centigrade GmbH. Am Standort München der Firma arbeitet Dominic Gottwalles inzwischen als Softwareentwickler bei der Entwicklung moderner Benutzeroberflächen in zahlreichen Kundenprojekten mit.

Der VDMA-Fachverband Software und Digitalisierung hatte den Preis erstmals ausgeschrieben, um „herausragende Abschlussarbeiten“ auszuzeichnen und die digitale Transformation im Maschinenbau zu fördern. Von Mai bis September konnten Professoren Studenten aus den Fachbereichen Informatik und Ingenieurswesen vorschlagen. Insgesamt 26 Absolventen von 21 deutschen Hochschulstandorten wurden auf diese Weise nominiert. In der Kategorie „Masterarbeit“ erhielt Dominic Gottwalles den ersten Preis, Lars Kistner von der Universität Kassel wurde für seine Bachelorarbeit prämiert.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Mikroskopische Strukturen für rüttelsichere Stecker

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Presseaussendung der TU Wien vom 14.11.2017

In einem österreichisch-deutschen Forschungsprojekt erzeugt man mit Lasertechnik mikroskopische Strukturen auf elektrischen Steckern um die Ausfallssicherheit zu erhöhen.

Über Wackelkontakte hat sich wohl jeder schon geärgert. Schlechte Steckverbindungen sind häufig die Ursache für ein Versagen elektronischer Geräte. Gerade in der Automobilindustrie, wo immer mehr Elektronik eingesetzt wird, spielt die Qualität von Steckkontakten eine wichtige Rolle – und hier kann die Materialwissenschaft helfen. Spezielle Strukturen auf Mikro- und Nanoskala, die sich mit Hilfe neuer Lasertechniken rasch und kostengünstig herstellen lassen, sollen nun für mehr Ausfallssicherheit sorgen.

Die Rumpelpiste zerstört den Steckkontakt

Seit Jahren wächst die Anzahl von Sensoren und Prozessoren, die in Autos verbaut werden, und dieser Trend wird sich durch den Siegeszug der Elektroautos wohl noch weiter fortsetzen. „Wenn man mit einem Auto über eine rumpelige Buckelpiste fährt, sodass das ganze Fahrzeug in Vibration versetzt wird, ist das eigentlich das Schlechteste, was den Steckkontakten passieren kann“, erklärt Prof. Carsten Gachot vom Institut für Konstruktionswissenschaften und Technische Logistik der TU Wien. Die Stecker beginnen auf winziger Skala ein kleines Stückchen hin und her zu wackeln, man spricht von „Fretting“. Diese minimalen Bewegungen genügen um für Verschleiß zu sorgen, der schließlich den Kontakt zum Versagen bringen kann.

Selbst wenn die Wahrscheinlichkeit für die Zerstörung eines einzelnen Steckkontaktes recht gering ist, ergibt sich durch ihre große Anzahl eine hohe Ausfallswahrscheinlichkeit: „In einem modernen Auto gehobener Kategorie sind mehrere Kilometer Kabel verbaut, mit tausenden Steckkontakten“, sagt Carsten Gachot. So ist es nicht überraschend, dass nach Angaben des deutschen Automobilclubs ADAC Elektronik-Ausfälle die Pannenursache Nummer eins sind.

Mikro- und Nanostrukturen für besseren Halt

Bekämpfen lässt sich das Problem mit neuen Erkenntnissen aus der Tribologie – der Wissenschaftsdisziplin, die sich mit Reibung und Verschleiß auseinandersetzt. „Das Problem ist, dass wir zwei schwer vereinbare Anforderungen gleichzeitig erfüllen müssen“, sagt Gachot. „Einerseits sollen die Kontakte halten und auch durch Vibrationen nicht gelockert werden, andererseits soll es möglich sein, mit relativ geringem Kraftaufwand die Stecker ein- und wieder auszustecken.“

Die Lösung ist, die Stecker mit einer feinen Struktur zu versehen. „Verschiedene Muster auf mikroskopischer Skala, die dem Material aufgeprägt werden, können das Reibe- und Verschleißverhalten drastisch beeinflussen“, sagt Gachot. „In Simulationsberechnungen und Experimenten untersuchen wir an der TU Wien, welche Strukturen das beste Ergebnis liefern.“

Mit Laserlicht eingebrannt

Um diese Strukturen rasch und kostengünstig herstellen zu können, arbeitet Carsten Gachot mit Forschungsgruppen der Universität des Saarlandes in Saarbrücken und von der TU Dresden zusammen. „Die entscheidende neue Idee ist, Laserlicht zur Herstellung der feinen Strukturen zu verwenden“, sagt Gachot. Man nützt dabei die Welleneigenschaften des Lichts: So wie sich in einem Teich komplizierte Wellenmuster ergeben, wenn man zwei Steine hineinwirft, lässt sich die Materialoberfläche mit einem komplizierten Wellenmuster beleuchten, wenn man einen Laserstrahl in zwei Teile aufspaltet und beide dann auf der Oberfläche überlagert. Das entstehende Lichtmuster verdampft das Material an bestimmten Stellen, an anderen Orten aber bleibt die Oberfläche unversehrt. So können, je nachdem, wie man die Strahlen miteinander überlagert, in kurzer Zeit unterschiedliche Mikro- und Nanostrukturen erzeugt werden.

„Mit bisherigen Methoden wäre es nicht wirtschaftlich gewesen, Steckkontakte mit solchen Strukturen zu versehen“, sagt Gachot. „Aber mit dieser Lasermethode kann man innerhalb von 40 Sekunden die Strukturierung für alle Steckkontakte eines ganzen Autos durchführen – für Zusatzkosten von 21 Cent pro Auto.“

Freilich ist die Entwicklung von Mikro- und Nanostrukturen für Steckverbindungen nicht nur für die Automobilindustrie interessant. Die neuen Erkenntnisse lassen sich auf eine Vielzahl technischer Bereiche anwenden – von Alltagsgeräten bis zu Flugzeugturbinen. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Eine Frage der Lage

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Presseinformation der LMU München vom 13.11.2017

Wie LMU-Physiker zeigen, lassen sich die lichtemittierenden und photokatalytischen Eigenschaften winziger Kohlenstoff-Nanokügelchen durch exakte Positionierung von Stickstoffatomen präzise einstellen.

Kohlenstoffkügelchen mit Durchmessern von wenigen Nanometern – sogenannte C-Dots – besitzen ungewöhnliche optische Eigenschaften, die sie für eine Reihe von technologischen Anwendungen, von der solaren Energieumwandlung bis hin zur medizinischen Bildgebung, hochinteressant machen. Darüber hinaus haben C-Dots im Vergleich zu ähnlichen Materialien den Vorteil, dass sie stabil und einfach herzustellen sind und keine toxischen Schwermetalle enthalten. Ob bestimmte C-Dots die für die Bildgebung relevante Lichtemission zeigen oder eher die für die Energieumwandlung wichtigen photokatalytischen Eigenschaften besitzen, hängt von ihrer chemischen Zusammensetzung und ihrer komplexen inneren Struktur ab. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind bisher allerdings schlecht verstanden. LMU-Physiker um Dr. Jacek Stolarczyk haben diese Zusammenhänge untersucht und zeigen, dass die Eigenschaften der C-Dots durch chemische Modifikationen auf einfache Weise beeinflusst werden können. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Communications.

„Bisher wurden C-Dots typischerweise vor allem mithilfe des Trial-and-Error-Prinzips optimiert“, sagt Stolarczyk. „Um dies zu verbessern, ist ein genaueres Verständnis der Mechanismen essenziell, auf denen die optischen Eigenschaften der C-Dots beruhen.“ Die Wissenschaftler führten ihre Studie im Rahmen des interdisziplinären Projekts „Solar Technologies Go Hybrid“ (SolTEch) durch, das vom Freistaat Bayern großzügig gefördert wird. „Ziel von SolTech ist es, innovative Konzepte für die Umwandlung von Solarenergie insbesondere in nicht-fossile Brennstoffe zu erforschen – und zwar idealerweise mithilfe von reichlich vorhandenen und ungiftigen Materialien“, erklärt Professor Jochen Feldmann, der Leiter des SolTech-Projekts. C-Dots sind für derartige Anwendungen ideal geeignet.

Die Nanokügelchen bestehen aus verschiedenen polyzyklischen Kohlenwasserstoffverbindungen, deren komplexes Zusammenspiel ihre optischen Eigenschaften bestimmt. Für ihre Studie stellten die Wissenschaftler C-Dots her, indem sie ein Gemisch aus Zitronensäure und einem stickstoffhaltigen verzweigten Polymer mit Mikrowellen bestrahlten. Dabei variierten sie die Konzentration des Polymers, sodass unterschiedliche Mengen an Stickstoff in die Nanokügelchen eingebaut wurden. Insbesondere die Art, wie der Stickstoff eingebaut wurde, variierte je nachdem, wie viel Stickstoff zur Verfügung stand.

„Unsere Untersuchungen zeigten, dass die chemische Umgebung der eingebauten Stickstoffatome die Eigenschaften der C-Dots entscheidend beeinflusst“, sagt Dr. Santanu Bhattacharyya, der Erstautor der Veröffentlichung und Alexander-von-Humboldt Fellow am Lehrstuhl von Jochen Feldmann. Der Einbau in den inneren Bereichen graphenartiger Strukturen, wie er bei mittleren Polymerkonzentrationen gefunden wurde, führte zu Nanokügelchen, die bei entsprechender Anregung hauptsächlich Fluoreszenz im blauen Spektralbereich zeigen. Dagegen führte der Einbau an Randpositionen, wie er für sehr hohe und sehr niedrige Polymermengen auftrat, zur Unterdrückung der Lichtemission und stattdessen zu effektiver photokatalytischer Reduktion von Wasser zu Wasserstoff. Durch kleine Variationen der Syntheseprozedur können diese Eigenschaften also fein gesteuert werden. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihre neuen Erkenntnisse die Einsatzmöglichkeiten von C-Dots als fluoreszierende Lichtquelle oder für Anwendungen in der Energieumwandlung voranbringen werden.

Publikation:
Nature Communications 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de