16.03.2012 von PaulWutz.

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.03.2012

Je weniger Züge wiegen, desto sparsamer fahren sie. Ein neues Material hält nun auch extremen Belastungen stand. Es eignet sich etwa für die Dieselmotoreinhausungen von Zügen – dieses Bauteil wird dadurch 30 Prozent günstiger und über 35 Prozent leichter als das Gegenstück aus Stahl und Aluminium.

Autos und Züge sollen energiesparender werden – die Hersteller versuchen daher, die gängigen Materialien durch leichtere zu ersetzen. Eine Hürde dabei: Die leichten Materialien sind nicht genauso belastbar wie Stahl und Aluminium, die Werkstoffe können nicht eins zu eins ersetzt werden. Vielmehr müssen die Hersteller abwägen, welche Bauteile abspecken dürfen und wie sich diese in das Gesamtsystem integrieren lassen.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT in Pfinztal haben nun ein Polyurethan-basierendes Sandwichmaterial entwickelt, das extrem belastbar ist – gemeinsam mit Bombardier GmbH, Krauss-Maffei Kunststofftechnik GmbH, Bayer MaterialScience AG, der DECS GmbH, dem DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte, der Universität Stuttgart und dem Karlsruher Institut für Technologie. »Als Demonstrator haben wir daraus zunächst ein Bauteil hergestellt, das stark beansprucht wird und viele Anforderungen erfüllen muss: die Dieselmotoreinhausung von Zügen«, sagt Jan Kuppinger, Wissenschaftler am ICT. Diese Einhausung befindet sich unter der Fahrgastzelle, also zwischen Abteil und Schienen. Hier schützt sie den Motor vor Steinschlägen und die Umgebung vor eventuell ausgelaufenem Öl. Im Brandfall verhindert sie, dass sich die Flammen ausbreiten und erfüllt somit die geforderten Flamm- und Brandschutznormen für Schienenfahrzeuge. »Mit dem neuen Material können wir das Gewicht der Bauteile um mehr als 35 Prozent reduzieren, und die Kosten um 30 Prozent«, sagt Kuppinger.

Die Stabilität des Bauteils erreichen die Forscher durch einen Sandwich-Aufbau: Außen befindet sich jeweils eine glasfaserverstärkte Polyurethanschicht, innen ein Kern aus Pappwaben. Polyurethan ist ein Massenkunststoff aus zwei Komponenten, den man an verschiedene Anforderungen anpassen kann, er wird daher auch als »Werkstoff nach Maß« bezeichnet. Aufgeschäumt ist er weich und dient beispielsweise als Material für Matratzen, in seiner kompakten Form dagegen ist er fest und hart. Die Forscher haben das Polyurethan durch verschiedene Zusätze zunächst so verändert, dass es die Brandschutznormen erfüllt. In einem zweiten Schritt haben die Partner das hierfür gängige Fertigungsverfahren, das Fasersprühen, optimiert: Sie haben einen Mischkopf entwickelt, mit dem sie auch komplexe Strukturen in der benötigten Größe herstellen können. Die hergestellte Dieselmotoreinhausung ist etwa 4,5 Meter lang und über zwei Meter breit. »Erstmals ist es gelungen, über dieses Verfahren ein so großes und komplexes Bauteil herzustellen, das den strukturellen Anforderungen genügt«, erläutert Kuppinger. Ein Problem beim Fasersprühen lag bisher darin, dass die Dicke der entstandenen Polyurethan-Sandwichdeckschichten nicht genau bestimmt werden konnte. Dies ist den Forschern nun gelungen: Sie haben die hergestellten Schichten mit einem Computer-Tomographen untersucht und über eine angepasste Auswerteroutine die genaue Schichtdicke ermittelt. Diese Informationen helfen dabei, die Festigkeit des Bauteils zu simulieren – und somit zu wissen, welche Belastung es aushält.

Einen Demonstrator der Dieselmotoreinhausung haben die Wissenschaftler in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Projekt PURtrain bereits hergestellt. Er hat den ersten Festigkeitstest mit Bravour bestanden: Dabei haben die Wissenschaftler in einem Versuchsstand Kräfte auf verschiedene Stellen des Demonstrators ausgeübt und gemessen, wie stark er sich verformt. In einem weiteren Schritt wollen die Forscher das Bauteil in einem realen Feldversuch testen. Verläuft er erfolgreich, dann können aus dem Material auch Dachsegmente, Seitenklappen und Windabweiser für die Automobil- und Nutzfahrzeugindustrie gefertigt und der Herstellungsprozess auf mittlere Stückzahlen zwischen 250 und 30 000 übertragen werden.

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02.03.2012 von PaulWutz.

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.03.2012

Eine einzelne Ameise ist nicht besonders schlau. Doch in der Gemeinschaft können die Insekten komplizierte Aufgaben lösen. Diese Schwarmintelligenz wollen Forscher jetzt auch für die Logistik nutzen. Viele autonome Transport-Shuttles sollen eine Alternative zu traditioneller Fördertechnik bilden.

Mit einem leisen Surren setzt sich das orangefarbene Gefährt in Bewegung. Gleich darauf starten die nächsten Shuttles, und schon bald sind Dutzende Mini-Transporter in der Halle unterwegs. Wie von Geisterhand gelenkt steuern sie auf das Hochregallager zu oder drehen sich um die eigene Achse. Die Multishuttle Moves®, so der Name der fahrerlosen Transportfahrzeuge, führen jedoch kein Roboter-Ballett auf. Sie sind im Dienst der Wissenschaft unterwegs. Am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML in Dortmund arbeiten Forscher daran, mit Schwarmintelligenz die logistischen Material- und Warenflüsse im Lager zu verbessern. In einer 1000 Quadratmeter großen Forschungshalle haben die Wissenschaftler ein kleines Distributionslager nachgebildet, mit einem Regallager für 600 Kleinteileladungsträger und acht Kommissionier-Stationen. Herzstück der Versuchsanlage ist ein Schwarm von 50 autonomen Fahrzeugen. »Die Transportsysteme sollen künftig alle Aufgaben von der Auslagerung im Regal bis zur Anlieferung an einer Kommissionier-Station selbstgesteuert übernehmen und damit eine Alternative zu herkömmlichen Fördertechniklösungen bieten«, erläutert Prof. Dr. Michael ten Hompel, Geschäftsführender Institutsleiter des IML.

Aber woher wissen die Gefährte, was sie wohin transportieren sollen und welches der 50 Shuttles den jeweiligen Auftrag übernimmt? »Die fahrerlosen Transportfahrzeuge werden dezentral gesteuert. Die ›Intelligenz‹ ist in den Transportern selbst«, verrät Dipl.-Ing. Thomas Albrecht, Leiter der Abteilung Autonome Transportsysteme, den Lösungsansatz der Forscher. »Wir setzen auf agentenbasierte Software und nutzen Ameisenalgorithmen nach Marco Dorigo. Das sind Verfahren der kombinatorischen Optimierung, die auf dem modellhaften Verhalten von realen Ameisen bei der Futtersuche basieren.« Kommt ein Auftrag herein, erfahren die Shuttles dies über einen Softwareagenten. Dann tauschen sie sich über WLAN aus, wer die Fuhre übernehmen kann. Das am nächsten befindliche freie Transportsystem erhält den Zuschlag.

Auf der Fläche bewegen sich die Shuttles völlig frei – ohne Leitlinien. Möglich macht das die integrierte Lokalisations- und Navigationstechnik. Die Fahrzeuge verfügen über ein neu entwickeltes, hybrides Sensorik-Konzept mit Funkortung, Abstands- und Beschleunigungssensoren sowie Laserscannern. So können die Fahrzeuge die jeweils kürzeste Route zum Ziel berechnen. Die Sensoren helfen auch, Kollisionen zu meiden.

Die Fahrzeuge basieren auf den Komponenten des regalgebundenen Multishuttle, das schon seit einigen Jahren erfolgreich im Einsatz ist. Gemeinsam mit ihren Kollegen von Dematic haben Forscher des IML das System weiterentwickelt. Die Besonderheit des Multishuttle Move®: Die Transporter können sich sowohl im Regallager als auch in der Halle bewegen. Die Shuttles besitzen dafür ein zusätzliches Flur-Fahrwerk. Doch welche Vorteile bieten die autonomen Transporter gegenüber der herkömmlichen Stetigfördertechnik mit Rollenbahnen? »Das System ist deutlich flexibler und skalierbar«, hebt Albrecht hervor. Es kann je nach Bedarf um einige Fahrzeuge erweitert oder reduziert werden. So lässt sich die Systemleistung an saisonale und Tagesschwankungen anpassen. Weiterer Vorteil: Die Transportwege verkürzen sich deutlich. In herkömmlichen Lagern ist der Raum zwischen dem Hochregallager und den Kommissionier-Stationen mit Fördertechnik verbaut. Die Pakete legen etwa eine zwei- bis dreifach längere Strecke zurück als auf dem direkten Weg. »Darüber hinaus erübrigen sich Regalbediengeräte und Stetigfördertechnik«, führt Albrecht weiter aus. Die Forscher untersuchen nun, wie die autonomen Transporter die Intralogistik verbessern können. »Wir wollen den Nachweis erbringen, dass die Zellulare Fördertechnik eine sowohl technisch als auch ökonomisch sinnvolle Alternative zur klassischen Fördertechnik und Regalbediengeräten sein kann«, sagt Institutsleiter ten Hompel. Gelingt dies, könnten die autonomen Fahrzeuge schon bald in Lagerhallen ihren Dienst tun.

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17.02.2012 von PaulWutz.

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.02.2012

Matschige Tomaten, braune Bananen und überreife Kirschen – die Abfälle von Großmärkten sind bisher bestenfalls auf dem Kompost gelandet. Künftig sollen sie besser genutzt werden: In einer neu entwickelten Anlage lassen sie sich vergären. Dabei entsteht Methan, das als Kraftstoff Autos antreiben kann.

Lässt der Autofahrer am Zapfhahn Erdgas in den Tank strömen statt Benzin oder Diesel, fährt er günstiger und umweltbewusster: Der Treibstoff schont das Portemonnaie, die Auspuffgase enthalten weniger Kohlenstoffdioxid und kaum Rußpartikel. Zunehmend rüsten Autofahrer daher ihre Otto-Motoren für den Erdgas-Betrieb um. Erdgas gehört jedoch ebenso wie Erdöl zu den fossilen Brennstoffen, die Reserven sind begrenzt. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart haben nun eine Alternative entwickelt: Sie gewinnen den Kraftstoff nicht aus den kostbaren Rohstoffreserven der Erde, sondern aus Obst- und Gemüse-Abfällen von Großmärkten, Mensen und Kantinen. Werden diese Lebensmittelreste vergoren, entsteht Methan, auch Biogas genannt. In Hochdruckflaschen gepresst kann es als Treibstoff dienen.

Eine erste Pilotanlage neben dem Stuttgarter Großmarkt nehmen die Forscher Anfang dieses Jahres in Betrieb: In einem zweistufigen Vergärungsprozess produzieren verschiedene Mikroorganismen aus den Abfällen in wenigen Tagen das gewünschte Methan. »Die Abfälle enthalten viel Wasser und wenig verholzte Teile, sie sind daher ideal für das Vergären«, sagt Dr.-Ing. Ursula Schließmann, Abteilungsleiterin am IGB. Eine Herausforderung stellen die Abfälle trotzdem dar: Sie setzen sich jeden Tag anders zusammen, mal sind viele Zitrusfrüchte dabei, mal eher Kirschen, Pflaumen und Salatköpfe. Gerade die Zitrusfrüchte enthalten jedoch viel Säure – die Forscher müssen den pH-Wert daher anpassen. »Wir lagern den Ausschuss in verschiedenen Vorratsbehältern. Hier werden automatisch einige Parameter des Abfalls bestimmt, etwa der pH-Wert. Das dazu entwickelte Managementsystem errechnet, wie viel Liter des Abfalls aus welchen Behältern gemischt und zu den Mikroorganismen gegeben werden«, erläutert die Expertin. Denn das Gleichgewicht muss erhalten bleiben – die verschiedenen Mikroorganismen brauchen zu jeder Zeit gleiche Umgebungsbedingungen, also das gleiche Milieu.

Ein weiterer Vorteil der Anlage: Es wird alles verwertet, vom Biogas über das flüssige Filtrat bis zum nicht weiter vergärbaren schlammartigen Rest. Dabei hilft ein zweites Teilprojekt in Reutlingen, eine Algenkultur. Bekommen die Algen genügend Nährmedium, Kohlenstoffdioxid und Sonnenlicht, produzieren sie in ihren Zellen Öl, das Dieselmotoren antreiben kann. Als Nährmedium für die Algen dient das Filtratwasser aus der Biogasanlage, es enthält genügend Stickstoff und Phosphor. Das Kohlenstoffdioxid, das die Algen zum Wachsen brauchen, erhalten die Forscher ebenfalls aus dem Biogasreaktor in Stuttgart: Denn das entstehende Biogas setzt sich zu etwa zwei Dritteln aus dem gewünschten Methan, zu etwa 30 Prozent aus Kohlenstoffdioxid zusammen. Alles, was nun noch übrig ist von den Marktabfällen, ist der schlammartige Gärrest. Er wird von den Kollegen aus dem Schweizer Paul Scherrer-Institut und dem Karlsruher Institut für Technologie ebenfalls in Methan umgewandelt.

Das Biogas, das in der Anlage am Großmarkt entsteht, bereiten die Mitarbeiter der Energie Baden-Württemberg EnBW mit Membranen auf, die Daimler AG stellt einige Versuchsfahrzeuge mit Erdgasantrieb bereit. Insgesamt fünf Jahre läuft das Projekt mit dem Namen EtaMax, das mit sechs Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF gefördert wird. Wenn alle Komponenten einwandfrei zusammenspielen, könnten ähnliche Anlagen künftig überall stehen, wo viele organische Abfälle anfallen. Weitere Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising, FairEnergie GmbH, Netzsch Mohnopumpen GmbH, Stulz Wasser- und Prozesstechnik GmbH, Subitec GmbH und die Stadt Stuttgart.

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20.01.2012 von PaulWutz.

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.01.2012

Experimente an Tieren sind seit Jahrzehnten in der Kritik. Eine Trendwende ist dennoch nicht in Sicht. Die Zahl der Tests mit Labortieren stieg sogar. Forscher haben jetzt eine neue Alternative gefunden: Mit Hilfe von Sensor-Nanopartikeln wollen sie die Anzahl der Versuche reduzieren.

Unzählige Mäuse, Ratten und Kaninchen sterben jährlich für die Wissenschaft – Tendenz steigend. Verwendeten deutsche Labors im Jahr 2005 noch etwa 2,41 Millionen Tiere für Forschungszwecke, so waren es 2009 bereits 2,79 Millionen. Ein Drittel diente der biologischen Grundlagenforschung, ein Großteil davon wurde für die Erforschung von Krankheiten und für die Entwicklung medizinischer Produkte und Geräte benötigt. Die Menschen fordern zwar sichere Medikamente und verträgliche Therapien, doch Tierversuche will kaum jemand in Kauf nehmen. Wissenschaftler suchen daher seit Jahren nach Ersatzmethoden. Eine Alternative haben jetzt die Forscher der Fraunhofer-Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien EMFT in München gefunden: Mit neuartigen Nanosensoren wollen sie die Anzahl der Tierexperimente verringern. »Wir testen Chemikalien quasi im Reagenzglas auf ihre Wirksamkeit und ihr Risikopotenzial. Hierfür setzen wir lebende Zellen, die aus menschlichem und tierischem Gewebe isoliert und in Zellkulturen gezüchtet wurden, der zu untersuchenden Substanz aus«, erläutert Dr. Jennifer Schmidt vom EMFT. Ist der Wirkstoff in einer bestimmten Konzentration giftig für die Zelle, stirbt sie. Diese Änderung des »Wohlbefindens« können Dr. Schmidt und ihr Team mit ihren Sensor-Nanopartikeln sichtbar machen.

Gesunde Zellen speichern ihre Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP). Je mehr ATP vorhanden ist, desto aktiver ist die kleinste lebende Einheit. Wird diese stark geschädigt, verringert sie schlussendlich ihre Stoffwechselaktivität, speichert weniger Energie und produziert infolgedessen auch weniger ATP. »Mit unseren Nanosensoren können wir das Adenosintriphosphat detektieren und feststellen, in welchem Gesundheitszustand sich Zellen befinden. Dies wiederum lässt Rückschlüsse auf den zellschädigenden Einfluss von Medikamenten oder Chemikalien zu«, sagt Dr. Schmidt.

Damit die Nanopartikel das ATP erkennen, statten die Forscher sie mit zwei Fluoreszenzfarbstoffen aus: einem grünen Indikatorfarbstoff, der sensibel auf ATP reagiert, und einem roten Referenzfarbstoff, dessen Farbe sich nicht verändert. Im nächsten Schritt schleusen die Wissenschaftler die Partikel in die lebenden Zellen ein und beobachten sie unter dem Fluoreszenzmikroskop. In Abhängigkeit der Menge des vorhandenen ATPs leuchten die Partikel unterschiedlich stark – je gelber das Signal im Überlagerungsbild erscheint, desto aktiver ist die Zelle. Wäre diese in einem schlechten Zustand, würde das Überlagerungsbild deutlich röter ausfallen. »Werden beispielsweise Krebszellen verwendet, lässt sich zukünftig die Wirksamkeit neu entwickelter Chemotherapeutika testen. Detektieren wir mit den Nanosensoren eine geringe ATP-Konzentration in den Zellen, wissen wir, dass das neue Medikament die Tumorzellen in ihrem Wachstum hemmt oder gar abtötet«, so die Forscherin. »Die vielversprechendsten Medikamente können dann weiter untersucht werden.«

Die Nanopartikel der EMFT-Forscher genügen hohen Ansprüchen: Sie sind nicht giftig für Zellen, passieren problemlos die Zellmembran und lassen sich sogar gezielt dorthin transportieren, wo die Testsubstanz detektiert werden soll. Doch bevor das Verfahren angewendet werden kann, müssen die Zulassungsbehörden es anerkennen – ein langer Weg durch die Genehmigungsinstanzen steht den Experten vom EMFT bevor. Das hält die Forscher nicht davon ab, die Technologie inzwischen weiterzuentwickeln und flexibel einzusetzen: beispielsweise, um die Qualität und Genießbarkeit von verpacktem Fleisch zu ermitteln. Hierfür haben sie Nanosensoren entwickelt, die die Konzentration von Sauerstoff und toxischen Aminen bestimmen können.

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09.01.2012 von PaulWutz.

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.01.2012

Herkömmliche CMOS-Bildsensoren sind für lichtschwache Anwendungen wie Fluoreszenz kaum brauchbar. Denn große, in einer Matrix angeordnete Pixel erlauben keine raschen Auslesegeschwindigkeiten. Ein neues optoelektronisches Bauteil beschleunigt diesen Prozess. Es ist bereits zum Patent angemeldet.

Längst haben CMOS-Bildsensoren in der Digitalfotografie den Markt erobert. In der Herstellung sind sie wesentlich günstiger als bisherige Sensoren. Auch in Sachen Stromverbrauch und Handhabung sind sie überlegen. Deshalb verbauen die großen Hersteller von Handy- und Digitalkameras fast ausschließlich nur noch CMOS-Chips in ihre Produkte. Das schont den Akku – und die Kameras werden immer kleiner. Doch die optischen Halbleiterchips stoßen mitunter an ihre Grenzen: Während die Miniaturisierung in der Unterhaltungselektronik zu immer kleineren Pixelgrößen von etwa 1 Mikrometer führt, sind bei bestimmten Anwendungen größere Pixel von mehr als 10 Mikrometer gefragt. Besonders in Bereichen, in denen nur wenig Licht zur Verfügung steht, wie in der Röntgenfotografie oder in der Astronomie, gleicht die größere Pixelfläche den Lichtmangel aus. Für die Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Impulse sorgen Pinned-Photodioden (PPD). Diese optoelektrischen Bauelemente sind für die Bildverarbeitung wesentlich und werden in die CMOS-Chips eingebaut. »Doch wenn die Pixel eine bestimmte Größe überschreiten, haben die PPD ein Geschwindigkeitsproblem«, erklärt Werner Brockherde, Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS. Denn meistens erfordern lichtschwache Anwendungen hohe Bildraten. »Dafür ist die Auslesegeschwindigkeit mit PPD jedoch zu gering«, sagt Brockherde.

Für dieses Problem haben die Fraunhofer-Forscher jetzt eine Lösung gefunden – sie ist bisher einzigartig und bereits patentiert: Die Wissenschaftler haben ein neues optoelektronisches Bauelement entwickelt, LDPD genannt – »Lateral drift field Photodetector«. »Darin wandern die durch das einfallende Licht erzeugten Ladungsträger mit High-Speed zum Ausgang«, erklärt der Forscher. Bei der PPD diffundieren die Elektronen lediglich zum Ausleseknoten. Ein vergleichsweise langsamer Prozess, der für viele Anwendungen ausreicht. »Indem wir aber innerhalb des photoaktiven Bereichs ein elektrisches Spannungsfeld in das Bauelement integriert haben, konnten wir diesen Vorgang bis zum hundertfachen beschleunigen.«

Um das neue Bauelement realisieren zu können, erweiterten die Fraunhofer-Forscher den derzeit verfügbaren 0,35 µm-Standard-CMOS-Prozess zur Herstellung der Chips: »Das zusätzliche LDPD-Bauelement darf die Eigenschaften der restlichen Bauteile nicht beeinträchtigen«, sagt Brockherde. Mithilfe von Simulationsberechnungen gelang es den Experten, diesen Anforderungen zu genügen – ein Prototyp der neuen High-Speed-CMOS-Bildsensoren ist bereits verfügbar. »Die Freigabe für die Serienfertigung erwarten wir für nächstes Jahr«, so Brockherde.

Die High-Speed-CMOS-Sensoren sind ideale Kandidaten für Anwendungen, in denen großflächige Pixel und eine hohe Auslesegeschwindigkeit erforderlich sind: Nicht nur in der Astronomie, bei der Spektroskopie oder in der modernen Röntgenfotografie könnten sie zum Einsatz kommen. Sie eignen sich auch hervorragend als 3D-Sensoren, die nach dem Time-of-Flight-Verfahren arbeiten. Dabei senden Lichtquellen kurze Impulse aus, die von den Objekten reflektiert werden. Die Laufzeit des reflektierten Lichts wird dann von einem Sensor erfasst und ergibt ein ganzheitliches 3D-Bild. Diese Technologie ist etwa beim Thema Aufprallschutz von Interesse. Denn die Sensoren können das Umfeld dreidimensional exakt erfassen. Für die TriDiCam GmbH haben die Fraunhofer-Forscher bereits einen solchen Flächensensor mit der einzigartigen Pixelanordnung entwickelt.

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