Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.
Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:
Statistical Thinking for Data Science and Analytics
Eva Ascarza (Columbia University) et al.
Start: 14.12.2015 / Arbeitsaufwand: 35-50 Stunden
Externer Link: www.edx.org
Presseaussendung der TU Wien vom 01.12.2015
Was hält Asphalt zusammen und macht unsere Straßen haltbar? Analysen an der TU Wien bringen neue Einblicke in die Chemie von Bitumen und sollen alten Asphalt wieder jung erscheinen lassen.
Bitumen ist das klebrig-schwarze Bindemittel, das im Asphalt die Steine zusammenhält. Die Qualität dieses Erdölproduktes bestimmt die Eigenschaften und die Haltbarkeit des Asphalts, daher ist es wichtig, das Verhalten von Bitumen auf mikroskopischer Skala genau zu verstehen. An der TU Wien stieß man nun durch die Kombination unterschiedlicher Analysemethoden auf überraschende Ergebnisse: Die unterschiedlichen Bestandteile werden von einer Art molekularer Schutzhülle fixiert. Mit dieser Erkenntnis möchte man nun Asphalt haltbarer machen oder sogar alten Asphalt wieder verjüngen.
Rezept für gutes Bitumen: Asphaltene und Maltene
Bitumen ist keine homogene Substanz. Ähnlich wie Milch, bei der kleine Fetttröpfchen in einer wässrigen Umgebung verteilt sind, besteht Bitumen aus verschiedenen Komponenten. Wie gut sich die unterschiedlichen Bestandteile vermischen können, hängt zu einem großen Teil von ihrer Polarität ab. Bei stark polaren Molekülen ist die elektrische Ladung nicht gleich verteilt, sie haben ein positiv und eine negativ geladene Seite.
„Die Asphaltene beinhalten die polarsten und größten Moleküle im Bitumen“, erklärt der Chemiker Florian Handle, der diese Zusammenhänge in seiner Dissertation genau untersucht hat. „Um sie herum findet man viele aromatische Moleküle, die weniger stark polar und meist etwas kleiner sind.“
Wie die einzelnen Komponenten im Bitumen verteilt sind, kann man mit unterschiedlichen Methoden untersuchen. An der TU Wien wurde das Bitumen mit Laserstrahlen beleuchtet, manche der Komponenten werden damit zum Fluoreszieren angeregt. „Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie wird abgebildet, an welchen Orten sich fluoreszierende Moleküle aufhalten. Die Fluoreszenzeigenschaften von Stoffgruppen oder einzelnen Molekülen können mittels Fluoreszenzspektroskopie untersucht werden. Kombiniert man diese beiden Informationen so erhält man einen klaren Blick in die Chemie und Mikrostruktur des sehr komplizierten Materials Bitumen“, sagt Florian Handle.
Was leuchtet hier eigentlich?
„Bisher dachte man, für die Fluoreszenz seien die Asphaltene verantwortlich, oder vielleicht auch bestimmte Wachse“, sagt der Chemiker Prof. Hinrich Grothe vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Wir haben die Komponenten nun allerdings voneinander getrennt und erstaunlicherweise festgestellt, dass nicht die Asphaltene fluoreszieren.“ Wie sich herausstellt, werden die Asphaltene im Bitumen nämlich von einer Schicht aromatischer Verbindungen umgeben – und sie sind die Hauptursache für die Fluoreszenz.
Dass sich diese aromatischen Verbindungen wie eine Schale um die wenige Mikrometer kleinen Asphalten-Einschlüsse legen, spielt für die Eigenschaften des Bitumens eine wichtige Rolle. „Dieser Schutzmantel ist letztlich dafür verantwortlich, dass Bitumen und Asphalt rissfest, dehnbar und trotzdem relativ steif ist“, erklärt der Bauingenieur Bernhard Hofko vom Institut für Verkehrswissenschaften (TU Wien). Der aromatische Schutzmantel hat nämlich eine Polarität, der zwischen der Polarität der Asphaltene im Inneren und den anderen Bestandteilen des Bitumens liegt. Dadurch ergibt sich ein sanfterer Übergang, hochpolare und niedrigpolare Moleküle stoßen nicht direkt aneinander, und das hilft der Stabilität des Bitumens.
Verjüngungskur für die Straße?
Wenn der Asphalt altert, kann genau diese Schutzschicht beschädigt werden, etwa durch Oxidation. Der Asphalt verliert dann seine Flexibilität, er wird spröde und brüchig. „Es gibt Versuche, alten Asphalt durch Zugabe bestimmter Substanzen wieder zu verjüngen“, sagt Bernhard Hofko. „Das geschah bisher eher durch Versuch und Irrtum. Wenn wir nun allerdings die Ursachen für die Alterung auf molekularer Ebene kennen, dann können wir gezielt die fehlenden Bestandteile des gealterten Asphalts wieder herstellen.“
Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Materials and Structures“ publiziert und nun zu einem der zehn besten Publikationen des Jahres gewählt – ein deutliches Zeichen, dass die Forschungsarbeit der TU Wien an der Schnittstelle zwischen Bauingenieurwesen und Chemie auch international Aufmerksamkeit erregt. (Florian Aigner)
Externer Link: www.tuwien.ac.at
Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.12.2015
Alginat nennt man das Stützskelett der Algen. Fraunhofer-Wissenschaftler nutzen die gelartige Masse chilenischer Pflanzen als Nährboden für Stammzellen: Porengröße und Elastizität des Alginats können flexibel eingestellt werden. Es transportiert Wirkstoffe und hat bessere optische Eigenschaften als Material aus Kunststoff.
Die Pharmaindustrie benötigt für Medikamententests der Zukunft pluripotente Stammzellen in großen Mengen. Diese Stammzellen haben das Potenzial, sich in beliebige Körperzellen umzuwandeln – zum Beispiel in Zellen der inneren Organe. In Biobanken entstehen gerade viele tausende Stammzelllinien unterschiedlichster Patienten. Mediziner erhalten dort perfekte Modelle der genetischen Krankheiten dieser Patienten. An den Stammzellen können Ärzte und Pharmaunternehmen neue Medikamente besser und schneller als bisher testen.
Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT in Sulzbach haben Algen aus Chile als besonders effiziente Nährquelle für die Vermehrung pluripotenter Stammzellen identifiziert. In den vergangenen Jahren haben sie einen kontrollierten und dokumentierten Herstellungsprozess für Alginat, das Stützgerüst der Algen, entwickelt. Der Prozess reicht von der Ernte der Algen an chilenischen Küsten und im chilenischen Meer über den Import der zum Granulat aufbereiteten und getrockneten Algen bis zur Produktion des Alginats und zur Verwendung in der Kultur pluripotenter Stammzellen am Institut im Saarland. Aktuell validieren britische Pharmafirmen den Prozess in ihren Laboren. »Im nächsten Jahr sind erste konkrete Versuche mit Partnern aus dem europäischen Verband der Pharmaunternehmen, EFPIA, geplant. Ziel ist es zu zeigen, dass wir mit dem Prozess stabil pluripotente Stammzellen produzieren können. Am Institut konnten wir das bereits für viele einzelne Stammzelllinien nachweisen«, sagt Prof. Dr. Heiko Zimmermann, Institutsleiter am IBMT. Den Herstellungsprozess sowie die Technologieplattform haben die Fraunhofer-Wissenschaftler aus Sulzbach und deren Kollegen in Chile und Großbritannien gemeinsam entwickelt.
Alginat zweier chilenischer Algensorten besonders geeignet
Ausgangsmaterial sind zwei Algensorten, die an den Küsten Chiles wachsen: Lessonia trabeculata und Lessonia nigrescens. Das Stützskelett der Algen besteht aus Alginat, das sich besonders gut für die Stammzellkultivierung eignet: Es besteht aus einem stark wasserhaltigen Gel, ist aber zähflüssiger als Honig. Es ist, wenn man es mit Kalzium oder Barium vernetzt, zugleich stabil und flexibel – ähnlich wie Wackelpudding – und dabei durchlässig für Nährstoffe und wichtige Faktoren. »Zellen fühlen sich wie im Körper in elastischen dreidimensionalen Umgebungen besonders wohl. Genau diese Umgebung kann mit Alginat perfekt simuliert werden«, erklärt Prof. Zimmermann. Insbesondere für die regelmäßig kontrahierenden Herzmuskelzellen ist das eine ideale Umgebung. Die Wissenschaftler stellen die Elastizität durch die Mischung der Algenarten flexibel ein und produzieren das Alginat in Form von Kügelchen beliebiger Größe. »Denn unterschiedliche Zellen benötigen unterschiedliche Kulturbedingungen«, erklärt Prof. Zimmermann. »Gleichzeitig bringen wir Wirkstoffe in das Alginat ein und setzen sie kontrolliert frei.« Zum Beispiel Stoffe, die pluripotente Stammzellen in bestimmte Körperzellen umwandeln. »Zukünftig wird das Alginat nicht nur als passiver Nährboden fungieren, sondern auch aktiv das Wachstum der Stammzellen beeinflussen«, sagt Prof. Zimmermann. Ein weiterer Vorteil: Die elastische Biomasse hat keine Eigenfluoreszenz. Das ist für optische Analyseverfahren wichtig. »Die Stammzellen wachsen besser auf unserem Alginat, insbesondere auch in automatisierten Bioreaktoren. Sie lassen sich besser ausdifferenzieren – in gewünschte Körperzellen umwandeln – als auf Kunststoffuntergrund, der heute standardmäßig eingesetzt wird«, fasst Prof. Zimmermann zusammen.
Das Ernten der Algen wird streng kontrolliert: Es gibt spezielle Lizenzen für die chilenischen Fischer; sie ernten nur diejenigen Algen, die sich für die Herstellung des Alginats eignen und nur so viel, dass eine nachhaltige Bewirtschaftung der chilenischen Küste ermöglicht wird. In einem vom IBMT und von Fraunhofer Chile betriebenen Labor an der Universität Coquimbo werden die Algen einzeln geschält, zerkleinert und vollständig getrocknet. Das geschieht innerhalb von 24 Stunden, so dass das Material nicht verunreinigt wird. Das Algengranulat wird dann nach Deutschland importiert: Im Reinraum am IBMT lösen die Wissenschaftler das Alginat heraus. Es liegt dann in flüssiger Form vor und kann mit Hilfe eines starken Luftstrahls zu Kügelchen geformt werden. »In einem Bariumbad werden die Kügelchen stabiler gemacht, denn Barium verbleibt besser in der Algenmasse. Die Kunst ist es, das Material stabil, aber nicht zu hart zu machen«, sagt Prof. Zimmermann.
Die Forscher geben das mit Proteinen beschichtete Alginat in einen Bioreaktor. Dieser stellt die optimale Temperatur und CO2-Umgebung bereit und rührt Nährstoffe sowie Zellen kontinuierlich um. Jedes einzelne, etwa 200 Mikrometer große Alginatkügelchen übernimmt dabei die Rolle einer Petrischale. Die Stammzellen bewachsen das Alginat in drei bis sieben Tagen in den Behältern und vermehren sich dabei. »Die Alginatmengen in den Reaktoren lassen sich leicht erhöhen. Die Folge: Pluripotente Stammzellen wachsen auf weniger Raum und in größerer Zahl«, sagt Prof. Zimmermann.
Externer Link: www.fraunhofer.de
Performance:
Der TecDAX der Deutschen Börse AG legte im November 2015 um circa 3% zu.
Trend:
Auf Monatsbasis bedeutet der November 2015 das dritte Plus in Folge.
Pressemeldung der FH Oberösterreich vom 26.11.2015
Die sogenannte Kavitation ist ein unerwünschtes physikalisches Phänomen in Flüssigkeitsströmungen. Dabei bilden sich im Pumpwasser Dampfblasen, die schlussendlich wieder in sich zusammenfallen und so zu einem Druckabfall führen. Wenn Kavitation bei der Feuerwehr während eines Löschangriffes eintritt, dann kann im schlimmsten Szenario der Wasserstrahl komplett zusammenbrechen. Intuitiv würde der Maschinist daraufhin den Druck erhöhen, was die Situation noch weiter verschlimmert. Der Maschinenbau-Absolvent der FH OÖ in Wels Stefan Höppe hat in seiner Diplomarbeit bei der Firma Rosenbauer International AG Möglichkeiten untersucht, dieses Phänomen auf Basis von Messdaten sicher zu erkennen, damit in Zukunft beim Löschangriff böse Überraschungen ausbleiben.
Damit im Ernstfall Löschwasser mit entsprechendem Druck zur Verfügung steht, verwendet die Feuerwehr leistungsstarke Pumpen. Diese Pumpen saugen Wasser an und fördern es durch den Schlauch Richtung Feuer.
„Unter gewissen Umständen – zum Beispiel bei großen Wasserabgabemengen – können sich in der Pumpe Blasen bilden, die zu einem Druckabfall am Pumpenausgang führen. Man spricht von Kavitation. Im Extremfall kann die Strömung sogar zusammenbrechen. Die intuitive Reaktion eines Maschinisten auf solch einen Druckabfall ist, die Drehzahl der Pumpe zu erhöhen. Wenn Kavitation vorliegt, führt aber genau das zu einem noch größeren Druckabfall“, erklärt Stefan Höppe, der selbst bei der Freiwilligen Feuerwehr Sprinzenstein tätig ist. Aus diesem Grund arbeitet die Firma Rosenbauer International AG gemeinsam mit der FH OÖ in Wels an einem verbesserten Konzept, um Kavitation noch sicherer zu erkennen und dem Maschinisten anzuzeigen.
Automatische Kavitationserkennung
In seiner Diplomarbeit bei der Firma Rosenbauer International AG hat Stefan Höppe Möglichkeiten zur sensorgestützten Kavitationserkennung untersucht. „An einem Prüfstand konnte ich zeigen, dass sich gewisse Messgrößen entscheidend ändern, sobald Kavitation vorliegt“, erklärt der 25-jährige Rohrbacher weiter.
In einer selbst entwickelten Software analysierte er die Messgrößen mit entsprechenden mathematischen Methoden und brach die Frage „Liegt Kavitation vor oder nicht?“ auf ein rotes Signallämpchen herunter. „Leuchtet dieses bei den Löschwasserpumpen auf, so darf die Drehzahl der Pumpe vom Maschinisten nicht erhöht werden“, so der Maschinenbau-Absolvent.
Kavitation nachweisbar gemacht
„Stefan Höppe ist es gelungen, zu zeigen, dass Kavitation grundsätzlich auch direkt detektierbar ist. Wir werden jetzt einen Weg suchen, dieses innovative Konzept praktisch umzusetzen, um auch in diesem Bereich die Innovationsführerschaft der Firma Rosenbauer erneut unter Beweis zu stellen“, freut sich sein Firmenbetreuer DI Hannes Hammer.
„Es hat Spaß gemacht, die modernen maschinenbaulichen Methoden, die ich während meines Studiums im Hörsaal kenngelernt habe, in die Praxis umzusetzen“, fügt Höppe hinzu.
Externer Link: www.fh-ooe.at