Archiv des Autors: PaulWutz

Dem elektrischen Kontaktwiderstand auf der Spur

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Pressemitteilung der Universität Kassel vom 09.12.2022

Mit Kohlenstofffasern verstärkte Kunststoffe (CFKs) sind besonders in der Automobilindustrie und Luftfahrt gefragt. Forschende der Universität Kassel haben eine Methode entwickelt, mit der sie innere Struktur und elektrische Eigenschaften von CFKs genau vermessen können – insbesondere an Kontaktflächen mit metallischen Bauteilen.

Als beliebter Verbundwerkstoff sind mit Kohlenstofffasern verstärkte Kunststoffe bereits gut erforscht. Sie sind leicht, dennoch fest und leiten elektrischen Strom. Im Rahmen der Grundlagenforschung an der Universität Kassel wird der Kontakt zwischen CFKs und Metall charakterisiert. „Je mehr wir über die elektrische Verbindung der beiden Werkstoffe wissen, desto gezielter können wir sie zum Beispiel im Fahrzeugbau nutzen“, beschreibt Elisabeth Eckel, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachgebiet Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik (Prof. Ludwig Brabetz). Bisher sind die Kontaktstellen jedoch mit normalen Messmethoden schwer zu charakterisieren. Deshalb entwickelten die Forschenden in einem Kooperationsprojekt mit dem Anwendungszentrum UNIfipp des Fachgebiets Kunststofftechnik (Prof. Hans-Peter Heim) eine neuartige Herangehensweise.

Sie entwarfen dafür eigens Probekörper, welche im so genannten Montagespritzgießverfahren hergestellt wurden. Das mit Kohlenstofffasern gefüllte Kunststoffgranulat wird im schmelzeförmigen Zustand in eine Form eingespritzt. Das Besondere: An definierten Stellen dieser Form umfließt der Kunststoff metallische Einlegeteile, die Kontaktstifte. So werden sie fester Bestandteil des CFK-Bauteil. „Die Anordnung der Kohlenstofffasern beeinflusst die lokale Widerstandsverteilung und letztendlich den Stromfluss zwischen Kontaktstift und Kunststoff. Für zukünftige Anwendungen beider Werkstoffe ist die Qualität dieses Kontakts ausschlaggebend“, erläutert André Schlink, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Fachgebiet Kunststofftechnik.

Hier setzten die Forschenden der beiden Fachgebiete an. „Wir haben eine Methode entwickelt, die erstmals diese lokale innere Struktur des CFK – also die Orientierung der Kohlenstofffasern vor allem um den Kontaktstift herum – elektrisch erfasst und somit direkte Rückschlüsse über den Kontaktwiderstand erlaubt.“, erklärt Klara Wiegel, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Fachgebiet Fahrzeugsysteme und Grundlagen der Elektrotechnik (Prof. Ludwig Brabetz). Die Forschenden charakterisierten den Probekörper mittels Röntgenmikrotomographie und machten mit einem Algorithmus einzelne Fasern sichtbar. Zusätzlich bestimmten sie elektrische Potentiale an der gesamten Oberfläche. Rund um den Kontaktstift identifizierten die Forschenden Bereiche, die sich durch die Orientierung der Fasern in Relation zu dem Kontaktstift unterscheiden.

Originalpublikation:
Eckel, Elisabeth et al. “Determination of Local Electrical Properties Using a Potential Field Measurement for Electrically Conductive Carbon Fiber Reinforced Plastics with Metal Contact Pins Joined via Injection Molding.”
Polymers vol. 14,14 2805. 9 Jul. 2022, doi:10.3390/polym14142805

Externer Link: www.uni-kassel.de

Designer-Immunzellen für Arzneimittelherstellung und -sicherheit

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.12.2022

Um Tierversuche zu vermeiden und Therapeutika noch präziser testen zu können, greift die Pharmaindustrie zunehmend auf menschliche Immunzellen zurück. Deren Verfügbarkeit war bisher jedoch begrenzt. Fraunhofer-Forschenden ist es gelungen, die Herstellung von maßgeschneiderten Immunzellen vom Labormaßstab auf die industrielle Fertigung zu übertragen.

Ob für neue Krebstherapien oder die Entwicklung und Prüfung neuer Medikamente – in der modernen Medizin spielen humane Immunzellen und Immunzellpräparate eine immer größere Rolle. Um sie für die Gesundheitsforschung zu gewinnen, war die Industrie lange auf menschliche Spender angewiesen oder sie nutzte Zelllinien verschiedener Krebsarten. Das Problem: Die Prozesse ließen sich damit nicht standardisieren, da jeder Mensch und jede Krebszelle einzigartig ist. Ein Gamechanger war eine Entdeckung zweier Stammzellforscher aus Japan und Großbritannien: Ihnen gelang es 2006, reife Hautzellen in sogenannte induzierte pluripotente Stammzellen (iPSC) umzuwandeln, die sich anschließend wieder in verschiedene Zelltypen weiterentwickeln können. Dafür erhielten Yamanaka und Gurdon 2012 den schnellsten Nobelpreis der Medizingeschichte.

Diese iPSC – und ihre Eigenschaft, sich unbegrenzt zu teilen und zu differenzieren – machen sich Prof. Nico Lachmann und sein Team am Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM und der Medizinischen Hochschule Hannover MHH zunutze. Die Forschenden haben ein bisher einmaliges Verfahren entwickelt, um aus diesen iPSC kontinuierlich spezifische, reife Immunzellen herzustellen – und zwar in skalierbaren Systemen, vom kleinen Maßstab bis hin zur industriellen Verwendung. Dies geschieht in einem Gerät, das an eine große Schneekugel erinnert. Die Stammzellen werden in eine Lösung hineingegeben und stetig in Bewegung gehalten. Mittels neuartiger Bioprozesse produzieren sie dann kontinuierlich die Immunzellen. Erst nach etwa drei Monaten müssen die iPSC erneuert werden, um eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten.

Immunzellen im großen Maßstab

Der Clou an dem Verfahren: Es ist in 3D, statt bisher in 2D am Boden einer Petrischale, konzipiert. So können deutlich größere Mengen der Designer-Immunzellen hergestellt werden. Der Maßstab ist dabei beliebig erweiterbar. Prof. Lachmann betont: »Wir haben drei Jahre daran geforscht, welches Medium, welcher Winkel, welche Geschwindigkeit optimal sind für die standardisierte Herstellung von Immunzellen aus iPSC und viele Parameter immer wieder angepasst. Die so optimierte Methode ist ein großer Gewinn für die Erforschung und Bewertung von Arzneimittelkandidaten, denn wir können ihre Wirksamkeit und Sicherheit direkt an den menschlichen Zielstrukturen testen, ohne dafür den Umweg über Tierversuche nehmen zu müssen.«

Spezialisiert hat sich seine Gruppe zunächst auf Makrophagen, also Fresszellen, die als wichtiger Teil der menschlichen Immunantwort zum Beispiel Bakterien bekämpfen. Im nächsten Schritt wollen Prof. Lachmann und sein Team sogenannte zellbasierte Potency-Assays (z.B. für Krebsmedikamente) aufbauen. Diese Prüfsysteme können die Wirkstärke biologischer und biotechnologischer Arzneimittel messen und spielen eine wesentliche Rolle bei der Qualitätskontrolle und Freigabe von Wirkstoffen und Arzneimitteln. Basierend auf ihrer Schlüsseltechnologie zur kontinuierlichen Produktion von Makrophagen wollen die Forschenden auch neue Herstellungsverfahren für unterschiedliche voll standardisierte Immunzellprodukte und zellbasierte Immuntherapien entwickeln und damit weitere Anwendungen erschließen.

Breites Anwendungsspektrum

Das Potenzial der Designer-Immunzellen ist riesig: So sind sie zum Beispiel genetisch so veränderbar, dass sie leuchten, wenn sie in Medikamenten Verunreinigungen detektieren. Diese sind bisher nur sehr aufwendig nachweisbar. Künstliche Hautgewebe, an denen heute schon Kosmetika getestet werden, könnten – angereichert um Immunzellen – die Reaktionen eines menschlichen Organismus noch besser abbilden. Denkbar wäre auch, die Luftqualität durch solche Zellen zu prüfen, denn beim Einatmen sind es Makrophagen und andere Immunzellen, welche zuerst auf Schadstoffe in der Luft reagieren. Und nicht zu vergessen die therapeutische Wirkkraft: In Zukunft könnten spezifisch angepasste, künstlich hergestellte Immunzellen sogar im Körper von Patientinnen und Patienten Krankheiten wie Krebs heilen.

Es verwundert also nicht, dass Pharmaunternehmen, Kosmetikhersteller, aber auch Forschungsorganisationen schon heute ein großes Interesse an dem Verfahren und an den Designer-Immunzellen haben. »Die Nachfrage bestätigt uns, dass die Technologie ein großes Potenzial zur praktischen Verwertung hat. Das eruieren wir im Moment«, freut sich Nico Lachmann.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Dezember 2022

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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:

Biomedical Equipment: Repairing and Maintaining Biomedical Devices
Jenny Dankelman (TU Delft)
Start: flexibel / Arbeitsaufwand: 40-60 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Neue Prüfanlage: Wie kalt darf Kraftstoff für Dieselmotoren werden?

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Presseaussendung der TU Wien vom 22.11.2022

Bei extremer Kälte können Kraftstoffe nicht mehr verwendet werden – aber wie misst man die mögliche Minimaltemperatur? An der TU Wien wurde dafür nun eine Prüfanlage entwickelt.

Wenn es zu kalt wird, springt das Auto nicht mehr an. Bestimmte Bestandteile von Kraftstoffen können bei niedrigen Temperaturen ausfallen, der Kraftstoff wird trüb und lässt sich nicht mehr nutzen. Besonders Paraffine in den Treibstoffen können bei großer Kälte kleine Flocken bilden.

Das ist zwar schon lange bekannt – doch bisher gab es keine einheitliche Untersuchungsmethode, mit der man im realen Betrieb der Kältebeständigkeit von Treibstoffen mit wissenschaftlicher Präzision auf den Grund gehen kann. Die TU Wien hat daher nun zusammen mit Partnerunternehmen aus Forschung und Industrie einen klimatisierten Prüfstand entwickelt, mit der sich nun Kraftstoffe zusammen mit Tank- und Leitungssystem zuverlässig auf Wintertauglichkeit überprüfen lassen. Der Prüfstand ist für unterschiedlichste Arten von Treibstoff geeignet – von gewöhnlichem Diesel, über Diesel aus recyceltem Speiseöl bis zu E-Fuels oder speziellen neuen Flugzeugtreibstoffen auf Basis von Bioabfällen.

Bisher keine einfache, einheitliche Testmethode

Dass ein neuer, zuverlässiger Prüfstand für Kraftstoffe nötig ist, stellte sich bereits im Rahmen eines anderen Projekts heraus: Die Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für nachhaltige Energieträger, Mobilität und Kohlenstoffkreisläufe (DGMK) untersuchte gemeinsam mit verschiedenen Automobilfirmen und Kraftstoffherstellern den Einfluss des Kraftstoffs und der Fahrzeugtechnologie auf die Winterfestigkeit aktueller Dieselfahrzeuge.

„Dabei zeigte sich, dass die unterschiedlichen Projekt-Teams in ihren Häusern ganz unterschiedliche Testanlagen für die Untersuchung von Kraftstoffen betreiben“, sagt Prof. Bernhard Geringer vom Institut für Fahrzeugantriebe und Automobiltechnik der TU Wien. „Die Tests sind nicht alle gleich realitätsnah und führen somit auch nicht zu denselben Ergebnissen. So wurde die Wichtigkeit erkannt, einen einheitlichen Prüfstand und ein einheitliches Prozedere zu entwickeln.“

An der TU Wien wurde nun ein passendes Testsystem entwickelt und aufgebaut: Es ist klimatisiert und kann auf eine Temperatur von bis zu -45 °C abgekühlt werden. Die Anlage enthält den für die Bewertung der Winterfestigkeit entscheidenden Teil des Fahrzeugs, nämlich das Niederdruck-Kraftstoffsystem. „Wir haben unterschiedlichste Versuchskraftstoffe getestet und die Temperaturen, Drücke und Durchflüsse im Kraftstoffsystem gemessen“, erklärt Bernhard Geringer. Wird der Test bestanden, wird ein weiterer Test bei tieferer Temperatur durchgeführt. Die tiefste Temperatur mit positivem Testergebnis gilt als Betriebsgrenze für den Kraftstoff.

Reproduzierbar und verlässlich

Die Prüfstandmethode wurde umfassend untersucht und mit Prüfergebnissen verglichen, die an echten vollständigen Fahrzeugen gewonnen wurden – die beiden Methoden stimmen gut miteinander überein. „Wir konnten auch zeigen, dass die Ergebnisse gut reproduzierbar sind, und dass unterschiedliche Prüfstände mit dieser Technologie auch gut miteinander vergleichbare Ergebnisse liefern“, sagt Bernhard Geringer.

Damit konnte das Ziel erreicht werden – nämlich eine zeit- und kostensparende Messmethode zu entwickeln, damit man zur Überprüfung der Winterfestigkeit eines Kraftstoffs keinen vollständigen klimatisierten Fahrzeugprüfstand benötigt, sondern der Kraftstoff nur noch an den relevanten Fahrzeugsystemen untersucht werden muss. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.at