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Im Kampf gegen den Klimawandel und die Pandemie

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 05.01.2022

25 Neugründungen und rund 390 Millionen Franken eingeworbenes Kapital: So lautet die Spin-​off-Bilanz im Jahr 2021. Schnellere Corona-​Tests, künstliche Korallenriffe und eine automatisierte Insektenzucht haben ihren Weg in die Wirtschaft gefunden. Der Anteil an Firmengründerinnen ist deutlich gestiegen.

Die 25 ETH-​Spin-offs aus dem letzten Jahr zeigen aufs Neue, wie ETH-​Wissen innovative Ansätze für globale Herausforderungen liefert und dabei die Schweizer Wirtschaft ankurbelt. Die meisten Jungfirmen wollen – unter anderem mit digitalen Methoden – die Medizin voranbringen oder den Klimawandel bekämpfen.

Schnelle Bluttests und Knochenplatten aus dem 3D-​Drucker

Stark vertreten sind die neuen Spin-​offs in der medizinischen Diagnostik. Hemetron beispielsweise hat sich den Bluttests verschrieben, die heute bei der Mehrheit der medizinischen Diagnosen eingesetzt werden. Die Firma hat ein handliches Gerät entwickelt, das schnell und zuverlässig zum Beispiel Herzinfarkte voraussagen oder eine Covid-​19-Erkrankung erkennen kann. Unter anderem auf das Pandemievirus zielt auch das Spin-​off Diaxxo ab: Es bietet einen zuverlässigen PCR-​Test, der das Ergebnis bereits innerhalb von zehn Minuten anzeigt. In einem ganz anderen Bereich der Medizin innoviert CustomSurg. Das ETH-​Spin-off setzt auf 3D-​gedruckte, massgeschneiderte Knochenplatten, die Knochenbruchpatienten und Chirurginnen gleichermassen das Leben erleichtern.

Andere Spin-​offs treten dem Klimawandel mit modernen Methoden entgegen. So hat sich etwa das Spin-​off rrreefs dem Bau von künstlichen Korallenriffen verschrieben – das erste «Pilot-​Riff» aus dem 3D-​Drucker bietet seit einigen Monaten vor einer Karibikinsel ein neues Zuhause für Meeresbewohner. Restor Eco nutzt dagegen die Macht der Daten, um Aufforstungsprojekte voranzutreiben und global zu vernetzen. Die Gründer von SmartBreed haben ihrerseits die Zucht von Futterinsekten automatisiert, um die Tierhaltung ökologisch wie ökonomisch zu verbessern. Vanessa Wood, Vizepräsidentin Wissenstransfer und Wirtschaftsbeziehungen der ETH Zürich, zeigt sich erfreut: «Um die grossen Herausforderungen der Gegenwart anzupacken, müssen wir Forschungserkenntnisse so schnell wie möglich praktisch anwenden können. Für diesen Wissenstransfer sind ETH-​Spin-offs ein wichtiges Instrument.»

Ein Viertel der Firmen von Frauen gegründet

Mit sechs Spin-​offs, die von Frauen gegründet wurden, war der Anteil an Gründerinnen im Vergleich zu den Vorjahren auffallend hoch. «Es geht in die richtige Richtung», sagt Vanessa Wood: «Ich freue mich sehr, dass immer mehr Frauen den Schritt ins Unternehmertum wagen. Davon profitiert die gesamte Schweizer Wirtschaft.» Von zwei ETH-​Abgängerinnen wurde zum Beispiel DigitSoil gegründet. Ihre Idee eines Bodenqualitäts-​Schnelltests entstand im Student Project House, einem offenen Ideenlabor für ETH-​Studierende, und wurde dank einem Pioneer Fellowship von der ETH gezielt bei der Umsetzung unterstützt.

Bewährte Spin-​offs bewegen Grosses

Während neue Spin-​offs Akzente setzen, haben auch die schon länger bestehenden im vergangenen Jahr viel bewegt. Die an der ETH entwickelte Technologie SCION wurde zum Kern eines neuen, sicheren Datennetzwerks für den Schweizer Finanzsektor, welches das ETH-​Spin-off Anapaya bereitstellte. Zwei Spin-​offs im Bereich der Klimatechnologie konnten weiter expandieren: Synhelion hat in Deutschland eine Testanlage zur industriellen Herstellung von Solartreibstoffen gebaut und Climeworks in Island die bisher grösste Anlage zur Abscheidung von CO2 aus der Luft. Die erfolgreichste Finanzierungsrunde konnte Bright Peak Therapeutics verzeichnen: Die Firma erhielt im Juni für die Weiterentwicklung ihrer neuartigen Immuntherapie über 96 Millionen Franken. Insgesamt konnten ETH-​Spin-offs über 390 Millionen Franken Kapital einwerben.

Externer Link: www.ethz.ch

Mikro-Bohrturbine verbessert Effizienz der Geothermie

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 03.01.2022

Als saubere und vor allem grundlastfähige Energiequelle wird Geothermie immer wichtiger. Doch die teilweise mehrere tausend Meter tiefen Bohrungen sind riskant und können manchmal auch fehlgehen. Fraunhofer-Wissenschaftler haben nun ein innovatives Werkzeug entwickelt, das zusätzliche Zweigbohrungen von der Hauptbohrung aus ermöglicht. Das senkt das Risiko von Fehlbohrungen und verbessert die Förderleistung.

Erdwärme ist eine unerschöpfliche Energiequelle. Tief in der ca. 30 Kilometer dicken Erdkruste findet sich heißes Wasser in Reservoiren, Klüften oder Rissen. Bereits in 5000 Meter Tiefe hat das Wasser bis zu 200 °C. In Geothermie-Anwendungen wird es über eine Förderbohrung nach oben gepumpt. Dann kann es beispielsweise Dampfturbinen zur Stromerzeugung antreiben oder über Wärmepumpensysteme für Gebäudeheizungen genutzt werden. Das abgekühlte Wasser fließt über eine zweite Bohrung, die Injektionsbohrung, zurück ins Erdinnere und wird im heißen Gestein aufs Neue erhitzt. Es entsteht ein geschlossener Kreislauf. Diese erneuerbare Energiequelle kann einen wichtigen Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel leisten.

Doch die mehrere Tausend Meter tief reichenden Bohrungen sind aufwendig und gleichzeitig riskant. Das Risiko danebenzuliegen und nichts zu finden – Fachleute sprechen vom Fündigkeitsrisiko – liegt bei etwa 30 Prozent. Das wollen die Expertinnen und Experten der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG in Bochum ändern. Die Idee: Ein Minibohrer perforiert das Umfeld der Bohrung in einem Umkreis von etwa 50 Metern. Dabei stößt er in benachbarte Risse und Klüfte vor und erschließt diese für die Heißwassergewinnung. Das Wasser fließt in die Förderbohrung und kann nach oben gepumpt werden.

Zweitbohrung erkundet das Umfeld

Entwickelt wurde die Technologie Micro Turbine Drilling (MTD) von Niklas Geißler, der am Fraunhofer IEG in Bochum und am Fraunhofer-Chalmers Research Center for Industrial Mathematics FCC in Schweden forscht. »Bohrungen, die mehrere Kilometer in die Erdkruste vordringen, kosten mehrere Millionen Euro. Die mit dem MTD herstellbaren Zweigbohrungen vergrößern das Einzugsgebiet für das Heißwasser, und das Fündigkeitsrisiko sinkt deutlich«, erklärt Geißler.

Herzstück von Micro Turbine Drilling (MTD) ist eine kompakte Mikro-Bohrturbine, die mit einem speziellen Bohrmeißel ausgestattet ist. Mit Abmessungen von gerade einmal 3,6 Zentimetern im Durchmesser und 10 Zentimetern in der Länge ist das Gerät extrem klein. Die Mikro-Bohrturbine ist an einem hochdrucktauglichen Schlauch befestigt, über den sie mit bis zu 200 Liter Wasser pro Minute bei etwa 100 bar Eingangsdruck angetrieben wird, um den Meißel in Rotation zu versetzen. Dieser besteht aus einer Wolframcarbid-Matrix mit eingearbeiteten Diamantkörnern und schleift sich mit bis zu 80 000 Umdrehungen pro Minute in das Gestein. Dabei ist er besonders für sehr hartes, kristallines Gestein wie Granit geeignet. Er ist aber auch in der Lage, Stahl zu durchbohren. Das ist wichtig, da die Bohrungen für bessere Stabilität häufig mit einer Stahlverrohrung ausgekleidet sind. Ohne das Bohrwerkzeug zu tauschen, kann mit dem MTD in einem Schritt zuerst die Stahlverrohrung und dann das Gestein bearbeitet werden. »In der Stunde schaffen wir zwei bis drei Meter. Das Wasser, das die Mikroturbine antreibt, dient zugleich als Kühlung, damit der Bohrer nicht heiß läuft, und auch als Spülung, um den Bohrstaub abzutransportieren«, erklärt Geißler. Ähnliche Verfahren gab es in der Vergangenheit bereits. Doch das ebenfalls druckwasserbasierte Radial Jet Drilling (RJD) beispielsweise funktioniert nur in weichem Gestein. Für die Geothermie ist es damit ungeeignet, da geothermische Reservoire nur mit wenigen Ausnahmen im Hartgestein zu finden sind.

Eine Herausforderung beim Verfahren liegt darin, die Mikro-Turbine aus der Hauptbohrung heraus abzulenken und bei relativ großem Angriffswinkel ins umliegende Gestein zu treiben. Dafür haben die IEG-Forschenden eine spezielle Ablenkvorrichtung entwickelt. Mit diesem sogenannten Ablenkschuh kann das kompakte Werkzeug in einem Winkel von ca. 45 Grad aus der Hauptbohrung herausgeführt werden. So erschließt das Bohrwerkzeug rund um die Hauptbohrung neue Risse und Klüfte mit Heißwasser. Durch den hydraulischen Druck, der entsteht, wenn das Wasser nach oben gepumpt wird, fließt das Wasser aus den Rissen und Klüften nun ebenfalls in die Hauptbohrung.

»Wir sind sehr dankbar dafür, dass wir das Micro Turbine Drilling bereits mehrfach im schweizerischen Bedretto Underground Laboratory (BUL) in der Nähe des Gotthard-Tunnels in bis zu 350 Metern Tiefe testen durften. Das Verfahren funktioniert sehr solide und arbeitet nahezu fehlerfrei«, freut sich Geißler.

Audioaufnahmen der Bohrgeräusche

Auch die Politik hat die Bedeutung des Themas erkannt. Seit März 2021 fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie das Projekt mit mehr als 430 000 Euro.

Die Fraunhofer IEG-Forschenden treiben das Vorhaben unterdessen weiter voran. Im nächsten Schritt sollen die Bohrgeräusche aufgenommen werden. Als akustische Referenz bei der Analyse kann dabei auch das Geräusch der Mikro-Bohrturbine dienen, deren Schaufeln bei der Rotation ein charakteristisches Pulsmuster aussenden. Mit der Analyse der Audioaufnahme lassen sich die Gesteinsarten, die der Meißel bearbeitet, erkennen und lässt sich zugleich feststellen, ob der Bohrer sich in der richtigen Geschwindigkeit dreht, gerade feststeckt oder gar leerläuft. Die Geräusche werden dabei auf die stählerne Rohrleitung als Körperschall übertragen und aufgenommen.

Die Technologie ist nicht nur für Geothermie-Anwendungen einsetzbar. »Generell kann das MTD in jeder Tiefbohrung eingesetzt werden, wo es darauf ankommt, die Umgebung einer Bohrung mit möglicherweise heterogenen Gesteinsarten zu erkunden, etwa für die Öl- oder Gasindustrie. Im Bereich Geotechnologien oder Tunnelbau können mit dieser Mikro-Bohrtechnologie beispielsweise Ankerbohrungen an schlecht zugänglichen Stellen gesetzt werden, an denen der Einsatz konventioneller Geräte aus Platzgründen nicht möglich ist«, erläutert Geißler.

Eine Hauptanwendung der 2020 zum Patent angemeldeten Technologie wird aber sicherlich die Gewinnung von Erdwärme sein. Fachleute schätzen, dass sich die Zahl der Geothermie-Kraftwerke in Europa in den nächsten fünf bis acht Jahren verdoppeln wird. Micro Turbine Drilling aus dem Fraunhofer IEG kann einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die Förderbohrungen weniger riskant, weniger aufwendig und noch wirtschaftlicher zu gestalten.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Januar 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:

Creative Coding
Kevin Siwoff (New York University)
Start: 10.01.2022 / Arbeitsaufwand: 112-140 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Tageslicht lässt unsere Asphaltstraßen altern

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Presseaussendung der TU Wien vom 15.12.2021

Eine Überraschung in der Straßenbau-Forschung: Entgegen bisheriger Annahmen trägt sichtbares Licht deutlich zur Alterung von Bitumen bei, was letztlich den Asphalt zerstören kann.

Die Haltbarkeit von Asphalt hängt ganz entscheidend vom Bitumen ab – dem schwarzen Bindemittel, das die Steinchen im Asphalt zusammenhält. Wenn das Bitumen in der Straße altert, kann es seine Eigenschaften verändern und spröde werden, wodurch letztendlich der Asphalt Risse bildet. An der TU Wien forscht man im 2020 eingerichteten „Christian-Doppler-Labor für Chemo-Mechanische Analyse von bituminösen Materialien“ daran, diese Prozesse besser zu verstehen und Asphalt langlebiger zu machen.

Durch Zufall stieß Johannes Mirwald (Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien) dort nun auf einen überraschenden Effekt: Anders als bisher gedacht kann sichtbares Licht im blauen und grünen Bereich das Bitumen verstärkt altern lassen – und zwar innerhalb kürzester Zeit. Diese lichtbedingte Veränderung im Bitumen wurde nun an der TU Wien genau untersucht, bei künftigen Forschungen und Lebensdauer-Abschätzungen muss jedenfalls auch die Sonneneinstrahlung mitberücksichtigt werden.

Zufallsentdeckung im Labor

„Das Forschungsprojekt begann mit einigen merkwürdigen Beobachtungen, die sich zunächst niemand erklären konnte“, erzählt Prof. Bernhard Hofko vom Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien. „Bei uns im Labor lagen Bitumen-Proben in Glasbehältern herum – und bei näheren Untersuchungen stellen wir fest, dass sich ihre Oberfläche nach sehr kurzer Zeit verändert hatte.“

Solche Veränderungen hätte man vielleicht bei hohen Temperaturen erwartet – nicht aber bei Zimmertemperatur im Labor. Auch intensive UV-Strahlung käme als Erklärung für solche Veränderungen in Betracht, doch das Glas sollte eigentlich einen Großteil der UV-Strahlung absorbieren und nur den sichtbaren Anteil des Sonnenlichts durchlassen. „Wir beschlossen also, uns diese merkwürdige Sache mit Spezialmikroskopen näher anzusehen“, sagt Bernhard Hofko.

Bitumen-Proben wurden ganz gezielt beleuchtet, mit unterschiedlichen genau definierten Lichtfarben – vom langwelligen Rot bis in den kurzwelligeren UV-Bereich. „Bisher nahm man an, dass das hochenergetische UV-Licht den stärksten Einfluss auf die Alterung von Bitumen hat. Von sichtbarem Licht erwartete man keinen nennenswerten Effekt“, sagt Johannes Mirwald. Doch die Messungen zeigten deutlich: Bei allen untersuchten Lichtwellenlängen waren bereits nach 15-20 Minuten Veränderungen der Bitumen-Oberfläche nachzuweisen. Der stärkste Effekt tritt zwar tatsächlich im UV-Bereich auf, doch die Auswirkungen von sichtbarem Licht sind ähnlich drastisch – mit einem zusätzlichen Maximum im Wellenlängenbereich von blauem und grünem Licht. Berücksichtig man nun die Lichtbedingung auf der Erdoberfläche und den Einfluss der Atmosphäre, wodurch UV-Licht deutlich stärker abgeschwächt wird als blaues oder grünes Licht, zeigt sich, dass blaues Licht die meiste Alterung auf den Straßenoberflächen verursacht.

Oxidation führt zu Rissen

Das Licht beschleunigt die Oxidation des Materials – und wenn Bitumen oxidiert, verändern sich seine mechanischen Eigenschaften. Es wird steifer und damit auch rissanfälliger. „Die Oxidation unter Einwirkung von Licht findet zunächst nur in den obersten Schichten des Materials statt – in den äußersten Mikrometern der Bitumen-Probe“, sagt Johannes Mirwald. „Doch das ist bloß die Initialzündung für einen weitreichenden Effekt: Kleine Risse sorgen dafür, dass Sauerstoff tiefer in das Material eindringen kann, im Inneren des Materials entstehen Spannungen, die Risse werden tiefer und schließlich kann das zu einer nachhaltigen Schädigung des Asphalts führen.“

Bisher wurden Alterungsexperimente mit Bitumen hauptsächlich im Dunkeln durchgeführt – das wird sich nun ändern. „Unsere Messungen zeigen: Wenn man die Haltbarkeit von Asphalt vorhersagen möchte, dann muss man jedenfalls auch die Sonneneinstrahlung berücksichtigen“, sagt Bernhard Hofko. Wo die Sonneneinstrahlung besonders hoch ist, hat man es außerdem meist auch mit hohen Temperaturen zu tun, das verstärkt den Effekt zusätzlich.

„Es ist ein absolut verblüffendes Ergebnis, mit dem niemand gerechnet hatte – so etwas passiert in der Forschung nicht oft“, sagt Bernhard Hofko. Für die Wissenschaft vom Straßenbau wird diese neue Erkenntnis jedenfalls wichtige Änderungen mit sich bringen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
J. Mirwald et al., Impact of UV–Vis light on the oxidation of bitumen in correlation to solar spectral irradiance data, Construction and Building Materials 316, 17 (2021).

Externer Link: www.tuwien.at