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In acht Schritten zum Naturstoff

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Presseinformation der LMU München vom 08.09.2015

Die erste Totalsynthese von Epicolacton zeigt den biosynthetischen Ursprung des Naturstoffs und seine Nähe zum Farbstoff Purpurogallin.

Forscher um Dirk Trauner, Professor für Chemische Biologie und Genetik an der LMU, haben erstmals den Naturstoff Epicolacton biomimetisch nachgebaut. Darüber berichten sie aktuell in der Fachzeitschrift Nature Chemistry. „Uns ist eine der kürzesten und elegantesten Synthesen eines Naturstoffes gelungen“, sagt Dirk Trauner. Die LMU-Chemiker haben in einer minimalen Anzahl von Schritten eine sehr hohe molekulare Komplexität erreicht. „Das kommt in die Nähe einer idealen Synthese.“ Zudem konnte das Team um Trauner aufklären, wie Epicolacton entsteht und seine allgemeine Bedeutung aufzeigen.

Der Naturstoff Epicolacton wurde erstmals im Jahr 2012 isoliert. Er ist ein Stoffwechselprodukt des endophytischen Pilzes Epicoccum, der unter anderem tropische Nutzpflanzen wie Zuckerrohr und Kakaobäume kolonisiert. Epicolacton ist chemisch sehr komplex. Die Verbindung enthält mehrere Stereozentren und weist eine verschlungene mehrringige Struktur auf. „Wir wollten wissen, wie diese wunderschöne Struktur in der Natur entsteht. Ihre Komplexität macht es jedoch zu einer Herausforderung, diesen Naturstoff zu synthetisieren“, sagt Dirk Trauner.

Simpler Vorläufer, komplexer Stoff

Bislang war ungeklärt, wie Epicolacton gebildet wird. Die LMU-Chemiker haben festgestellt, dass das molekulare Muster von Epicolacton dem von Purpurogallin ähnelt. Purpurogallin gilt als Urform bestimmter natürlicher Farbstoffe. Er ist beispielsweise für die Färbung schwarzen Tees und verschiedener Pilze verantwortlich. Auch die Eisengallustinte, mit der bereits vor mehr als 2000 Jahren mit der Feder geschrieben wurde, verdankt ihre schwarze Farbe Purpurogallin.

„Aufgrund des Verständnisses der Entstehung von Purpurogallin ist uns dann eine biomimetische Totalsynthese gelungen. Sie beginnt bei Vanillylalkohol und führt in nur acht Schritten zu Epicolacton“, sagt Trauner. „Das ist ein weiteres Beispiel, wie sich ein strukturell komplexer Naturstoff aus einem vergleichbar einfachen Vorläufer bildet.“ Im Rahmen dieser Synthese haben die Forscher eine weitere Verbindung isoliert – Isoepicolacton – die auch in den endophytischen Pilzen vorkommen dürfte.

Die Forschungsergebnisse ermöglichen nun, Epicolacton in größerem Maßstab im Labor herzustellen. Als nächstes wollen die LMU-Chemiker den Mechanismus der chemischen Kaskade im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 749 (Intermediates of Molecular Transformations) weiter analysieren, um deren allgemeine Bedeutung noch besser zu verstehen.

Publikation:
Nature Chemistry 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Grüne Fassaden: Pflanzen als Schutz vor der Sommerhitze

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Presseaussendung der TU Wien vom 09.09.2015

Begrünte Fassaden können Energie sparen und das lokale Klima in der Stadt deutlich verbessern. An der TU Wien werden unterschiedliche Fassadenbegrünungs-Strategien erprobt, gemessen und simuliert.

Wer diesen Sommer schwitzend vor dem Ventilator verbracht hat und sich nach einer Klimaanlage sehnt, sollte sich Gedanken über eine umweltfreundliche Alternative machen: Fassadenbegrünung in der Stadt ist ein neuer Trend, der die Lebensqualität erhöhen und den Energiebedarf senken kann. An der TU Wien wird erforscht, wie das am besten gelingt. In Wien laufen derzeit mehrere Pilotprojekte.

Besseres Mikroklima

Die Bauingenieurin Prof. Azra Korjenic führt seit Jahren Messungen an Gebäuden mit begrünten Fassaden durch. „Dass Fassadenbegrünung zu Verbesserungen führt, steht mittlerweile außer Zweifel“, erklärt sie. Pflanzen haben eine regulierende Wirkung auf das Mikroklima: Im Sommer werden Innenräume und Höfe durch Fassadenbegrünung deutlich kühler, weil die Pflanzen die Konstruktion vor zu starker Erwärmung schützen und außerdem durch die Verdunstung von Wasser zur Kühlung beitragen. Im Winter schützen sie das Haus vor dem Auskühlen, außerdem filtern sie Feinstaub und verbessern die Luftqualität und schützen vor Lärm.

Korjenic ist daher überzeugt, dass sich Pflanzenbewuchs auf der Fassade durchsetzen wird – in Zukunft könnten unsere Städte viel grüner aussehen. Energiekosten für Klimaanlagen und Heizung sollen sich damit einsparen lassen. Allerdings gibt es auf diesem Gebiet noch nicht viel bautechnische Erfahrung. Daher ist es wichtig, wissenschaftlich zu untersuchen, wie Fassadenbegrünung am besten gelingen kann.

Viele verschiedene Konzepte werden derzeit getestet. Das einfachste ist, Kletterpflanzen an der Fassade wachsen zu lassen, doch es gibt auch deutlich wirkungsvollere Techniken. Man kann vor der Fassade eine zweite Fassade aus Pflanzentrögen errichten, man kann feste Fasermatten mit integriertem Substrat und Befeuchtungsanlage vor die Fassade hängen und vieles mehr. „Eine Kosten-Nutzen-Rechnung verschiedener Systeme wird gerade gemacht“, sagt Korjenic. „Welche Lösung die beste ist, hängt von den Zielvorstellungen und Präferenzen des Anwenders ab.“ Das Forschungsteam von Azra Korjenic misst Daten und entwickelt Computersimulationen, mit denen man den Einfluss verschiedener Konstruktionen auf den Wärmehaushalt eines Gebäudes berechnen kann.

Mehrere Pilotprojekte

Die Nachfrage nach dieser Expertise wächst: Derzeit laufen mehrere vielversprechende Forschungsprojekte. Das Bundesrealgymnasium in der Kandlgasse im 7. Wiener Gemeindebezirk wird im Zuge eines FFG-Projektes eine Innenraum-, Fassaden- und Dachbegrünung erhalten. Dort werden verschieden Systeme montiert, sowohl in Klassenzimmern als auch außen an der Fassade. Es wird auch Einfluss der Begrünung auf das Raumklima untersucht – auf Raumtemperatur, Raumfeuchte, CO2, Staubmenge und Schall. Das Gebäude der Magistratsabteilung 31 (Wiener Wasser) im 6. Bezirk wird ebenfalls bereits begrünt, hier wird man nun drei Jahre lang Daten erheben und analysieren. Und auch im Auftrag der Wiener Magistratsabteilung 22 (Umweltschutz) führt Azra Korjenic mit Ihren Team derzeit verschiedene Studien durch.

Technisch interessant ist auch die Kombination von Fassadenbegrünung mit Photovoltaik. Auf den ersten Blick könnte man meinen, beide Konzepte schließen einander aus, wenn nur eine begrenzte Fläche zur Verfügung steht. Doch dieses Problem lässt sich beheben: Man kann etwa über den Fenstern geneigte Solarzellen anbringen, die im Sommer für Schatten sorgen, und den Pflanzen ihren Platz lassen. Außerdem wird auch getestet, wie man transparente Solarzellen einsetzen kann, die nur einen kleinen Anteil des Sonnenlichts in elektrische Energie umwandeln und den Rest zu den Pflanzen auf der Fassade dringen lassen.

Azra Korjenic rechnet damit, dass Fassadenbegrünung immer populärer wird – nicht zuletzt wegen des Klimawandels: „Wenn die Sommer bei uns immer heißer werden, dann werden die Leute feststellen, dass es in einem kühleren Gebäude mit begrünter Fassade einfach viel angenehmer ist.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Gassensoren warnen vor Schwelbränden

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.09.2015

Rauchmelder sind allgegenwärtig. Dennoch geht die Zahl der Brandopfer jährlich in die Tausende. Brandgasmelder, die auf Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide reagieren, entdecken Brände im Frühstadium. Durch ein neues Messprinzip von Fraunhofer-Forschern werden die teuren Sensoren nun kostengünstig und damit bereit für den Massenmarkt.

Die Sterne funkeln am Himmel, die Bewohner des Hauses schlummern in ihren Betten. Soweit nichts Besonderes, doch in dieser Nacht steht ihr Leben auf dem Spiel: Ein Kabel schwelt vor sich hin, giftiges Kohlenstoffmonoxid verbreitet sich unbemerkt im Raum. Die Rauchmelder allerdings geben keinen Alarm – sie reagieren nur auf Rauch, der bei einem Schwelbrand jedoch nicht immer entsteht. Kurzum: höchste Gefahr für Schlafende.

Kohlenstoffmonoxid zuverlässig erkannt

Gassensoren könnten die Bewohner rechtzeitig wecken und somit Leben retten. Etwa der Sensor, den Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg entwickeln: Er erkennt einen Brand nicht über den Rauch, sondern über das entstehende Kohlenstoffmonoxid. Auch bei Stickstoffdioxid, das etwas später im Brandverlauf entsteht, schlägt er Alarm. Kleinste Mengen der Gase reichen dabei aus. »Die Sensoren sind sehr empfindlich. Sie reagieren also schon sehr früh im Brandverlauf, schließlich zählt jede Sekunde«, erläutert Dr. Carolin Pannek, Wissenschaftlerin am IPM.

Zwar sind solche lebensrettenden Kohlenstoffmonoxid-Sensoren heute bereits erhältlich, für den Massenmarkt jedoch zu teuer. Darüber hinaus sind sie wartungsaufwändig und verbrauchen viel Strom. Handelsübliche, preisgünstige Halbleiter-Gassensoren können aber beispielsweise nicht zwischen verschiedenen Gasen unterscheiden. Nicht so der neuartige Sensor der IPM-Forscher: »Er reagiert gezielt auf Kohlenstoffmonoxid und Stickstoffdioxid, bei allen anderen Gasen bleibt er ruhig. Mit einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren können wir die Sensoren sehr günstig herstellen und somit für den Verbraucher erschwinglich machen«, bestätigt Pannek.

Das ist vor allem dem Farbstoff zu verdanken, dem Herzstück der Sensoren. So wie in jedes Schloss nur ein ganz bestimmter Schlüssel passt, reagiert jeder dieser Farbstoffe auf ein ganz spezielles Gas – im Sensor gibt es daher einen Farbstoff für Kohlenstoffmonoxid, einen weiteren für Stickstoffdioxid. Das Prinzip: Eine kleine LED strahlt blaues Licht in einen Wellenleiter, in dem das Licht auf einem Zickzackkurs bis zum anderen Ende läuft. Dort trifft es auf einen Detektor. Der Wellenleiter ist mit einem Polymer beschichtet, in das Farbstoffe gemischt sind. Ist die Luft im Raum unauffällig, ist der Farbstoff im Polymer lila – er nimmt nur wenig blaues Licht auf. Sprich: Es gelangt viel blaues Licht zum Detektor. Ist dagegen Kohlenstoffmonoxid in der Raumluft, ändert der Farbstoff seine Farbe: Er wird gelb. Der gelbe Farbstoff nimmt mehr blaues Licht auf – die Lichtmenge am Detektor sinkt. Wird dabei ein Grenzwert unterschritten, löst dies den Alarm aus. Um auch Stickstoffdioxid nachweisen zu können, integrieren die Forscher in den Sensor noch einen zweiten Wellenleiter mit einem anderen Farbstoff.

Kaum teurer als ein Rauchmelder

Die Forscher achten darauf, dass der Sensor sich im Massenverfahren möglichst kostengünstig herstellen lässt – schließlich möchte kaum jemand deutlich tiefer in die Tasche greifen müssen als für einen herkömmlichen Rauchmelder, auch wenn der Gassensor eine erheblich höhere Sicherheit bietet. »Der Sensor wird, fertigt man ihn in Massen, in einem ähnlichen Preisrahmen liegen wie Rauchmelder – und wesentlich günstiger sein als die wenigen am Markt verfügbaren Brandgasmelder«, ist sich Pannek sicher.

Für die Brandgas-Sensoren setzen die Wissenschaftler auf die gleichen Komponenten wie beim Rauchmelder, ergänzt um den Lichtwellenleiter. Eine Elektronik gibt die Schwelle an, ab der der Sensor Alarm schlagen soll. Für die Herstellung dieser Komponenten haben die Forscher gemeinsam mit einem Industriepartner ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren entwickelt: Ähnlich wie beim Zeitungsdruck werden dabei 15 000 Messsysteme auf einer Endlosrolle gefertigt. Das Verfahren ist sowohl massentauglich als auch preiswert. Bis die Gassensoren in Wohn- und Schlafzimmern hängen werden, wird es sicherlich noch ein paar Jahre dauern.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Computer liest historische Handschriften

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Medieninformation der Universität Innsbruck vom 25.08.2015

Handschriften sind so individuell wie Menschen. Dennoch sind Computer heute in der Lage, auch historische Handschriften automatisch zu entschlüsseln. Ein neues, von der Universität Innsbruck koordiniertes EU-Projekt will diese Technologie nun der Wissenschaftsgemeinde, interessierten Archiven und der breiten Öffentlichkeit zugänglich machen und damit gleichzeitig die eingesetzten Computeralgorithmen weiter verbessern.

Wer sich schwer tut, einen in Kurrentschrift verfassten Brief seines Großvaters zu entziffern, der könnte bald digitale Unterstützung erhalten. Denn seit einigen Jahren arbeiten Forscherinnen und Forscher weltweit daran, digitalisierte historische Dokumente vom Computer automatisch entschlüsseln zu lassen. „Die Grundlagenforschung zur Handschriftenerkennung ist schon recht weit fortgeschritten. Nun geht es darum, diese Forschungsergebnisse auch für eine breite Öffentlichkeit nutzbar zu machen“, erzählt Günter Mühlberger, Leiter der Gruppe Digitalisierung und Elektronische Archivierung an der Universität Innsbruck. Mit seinem Team arbeitet er federführend am Aufbau einer Serviceplattform, die sich besonders an Archive und Historiker richtet. „Mit den von der Technischen Universität Valencia und dem Nationalen Forschungszentrum in Athen gelieferten Algorithmen können wir heute bereits 70 bis 80 Prozent eines Dokuments automatisch entziffern.“ Schwierigkeiten bereiten den Computerprogrammen bisher vor allem das komplexe Layout historischer Dokumente, die unterschiedlich geformten Handschriften, aber auch die verschiedenen Sprachen, die sich im Laufe der Zeit auch stark gewandelt haben. „Die Maschine muss zunächst einmal erkennen, wo auf einem Dokument ein Text steht und die einzelnen Zeilen richtig erkennen – eine technische Herausforderung, die nicht zu unterschätzen ist“, sagt Mühlberger.

Mit Unterstützung der Crowd

Die Forscherinnen und Forscher um Günter Mühlberger wollen ihr Know-how nun der internationalen Wissenschaftsgemeinde und der breiten Öffentlichkeit zugänglich machen und gemeinsam die Technologien weiter verbessern. Unterstützt werden sie dabei von der Europäischen Union, die das Vorhaben von insgesamt 13 europäischen Partnern mit insgesamt 8,2 Millionen Euro fördert. „Gemeinsam mit unseren Partnern aus Deutschland, Finnland, Frankreich, Griechenland, Großbritannien und Spanien werden wir eine Serviceplattform entwickeln, über die jede und jeder historische Handschriften bearbeiten kann“, sagt Mühlberger. „Unter unseren Partnern sind auch zahlreiche Archive, die ihre Bestände zur Verfügung stellen.“ Denn die eingesetzten Computeralgorithmen müssen trainiert werden, um die Handschriftenerkennung immer weiter zu verbessern. „Deshalb wollen wir nicht nur Forscherinnen und Forscher aus den Geisteswissenschaften einladen, die neue Infrastruktur zu nutzen, sondern auch die breite Öffentlichkeit. Je mehr mit unseren Programmen zur Handschriftenerkennung gearbeitet wird, umso besser werden diese Algorithmen“, weiß Günter Mühlberger.

Mit der Software und der Unterstützung anderer Nutzer sollte es dann auch möglich sein, den in Kurrentschrift verfassten Brief des Großvaters rasch zu entziffern. So sollen in den nächsten Jahren Katasterbände, Kirchenbücher, Briefe, aber auch unterschiedlichste Personenlisten (Immigranten, Passagiere, etc.), Ratsprotokolle und viele andere historische Dokumente computerlesbar gemacht werden. Die Forscher werden dafür auch eine App für Smartphones anbieten, mit der die Handschriften direkt eingescannt werden können. Um die Menschen zum Mitmachen zu motivieren, sollen gemeinsam mit der Öffentlichkeit auch die Handschriften berühmter Persönlichkeiten gesammelt und automatisch erkennbar gemacht werden. „Alle diese digitalisierten Handschriften können dann am Computer durchsucht werden. Das erspart die sehr aufwändige Abschrift der Texte und gibt einen direkten Zugang zu den Dokumenten“, sagt Mühlberger. „Mittels der automatisierten Schreibererkennung kann man dann zum Beispiel in den Archiven auch nach anderen Handschriften einer bestimmten Person suchen, was bisher so nicht möglich war.“

Aufbau einer europäischen Forschungsinfrastruktur

Die Dimension des Projekts wird deutlich, wenn man bedenkt, dass – im Gegensatz zu Bibliotheken – die von Archiven gesammelten Dokumente grundsätzlich unveröffentlicht und einmalig sind, d.h. meist nur in einem einzigen Exemplar existieren. In ihnen spiegelt sich vor allem das tägliche Leben einzelner Personen wider, sei es als kurze Notiz in einem Tauf- oder Sterberegister, als Eintrag in einer Katastralmappe, als Akt in einem Gerichtsverfahren oder als Notiz in einem Polizeibericht. Diese historischen Schätze der Forschung und der Öffentlichkeit zugänglich zu machen, dem hat sich das von der Universität Innsbruck koordinierte EU-Projekt READ verschrieben. Es wird im Rahmen des Förderprogramms Horizon 2020 mit insgesamt 8,2 Millionen Euro unterstützt, 1,1 Millionen davon fließen an die Universität Innsbruck. Partner sind Universitäten, Forschungseinrichtungen und Archive in ganz Europa. Das auf dreieinhalb Jahre anberaumte Projekt startet Anfang 2016 und hat den Aufbau einer Forschungsinfrastruktur für die europäische Wissenschaftsgemeinde zum Ziel. Da für die massenhafte automatische Handschriftenerkennung auch großen Rechenleistungen erforderlich sind, arbeiten die Innsbrucker Forscher sowohl mit dem Forschungszentrum Hochleistungsrechnen an der Leopold-Franzens-Universität als auch dem Vienna Scientific Cluster eng zusammen. „Die vorhandenen Strukturen und Ressourcen für Hochleistungsrechnen haben sicher dazu beigetragen, dass die EU dieses Projekt genehmigt hat“, betont Mühlberger.

Eine experimentelle Version der Software steht im Internet bereits zum Download zur Verfügung. Expertinnen und Experten, aber auch Laien können sich dort registrieren und das Programm ausprobieren.

Externer Link: www.uibk.ac.at