Archiv der Kategorie: Forschungsgesellschaft

Unfallschutz in der Frontscheibe

Veröffentlicht am von

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Juli 2011

Fahrerassistenzsysteme helfen Unfälle zu vermeiden. Denn je mehr ein Auto über seine Umgebung weiß, desto intelligenter kann es auf sie reagieren. Forscher haben jetzt einen optischen Sensor für die Frontscheibe entwickelt, der sogar Nebel von Dämmerlicht unterscheidet. Das System wird auch für Kleinwagen verfügbar sein.

Die Zahl der Verkehrstoten in Deutschland ist in den vergangenen Jahren stetig gesunken. Wie Studien belegen, ist dies auch den vielen neuen Fahrerassistenzsystemen zu verdanken, die schneller reagieren als der Mensch. Sie erkennen Risiken, warnen vor Gefahren und unterstützen den Fahrer in kritischen Situationen. Radarsensoren etwa scannen den umgebenden Verkehr und überwachen den toten Winkel oder wahren den Sicherheitsabstand zum Vorausfahrenden. Infrarotdetektoren verbessern die Nachtsicht und Müdigkeitssensoren schlagen bei drohendem Sekundenschlaf Alarm.

Um die Umgebung während der Fahrt zu überwachen, kommen inzwischen auch komplexe Systeme zum Einsatz. Sie sind nicht nur mit einer Kamera, sondern zudem mit Sensoren ausgestattet. Diese Systeme erfassen schwer einsehbare Fahrzeugbereiche – etwa beim Einparken – und werten die Kamerabilder automatisiert aus. Sie sind zwischen der Frontscheibe und dem mittleren Rückspiegel angebracht. Neben den bildgebenden Daten liefern sie Informationen über die Lichtverhältnisse der Umgebung, beispielsweise unterscheiden sie zwischen Dämmerung und Nebel. Die Sensoren interpretieren die optischen Daten und analysieren die Wetterbedingungen. Allerdings finden sich solche Hightechsysteme bisher nur in hochpreisigen Fahrzeugen, für Mittelklasse- und Kleinwagen waren sie zu teuer. Der Grund: Bei herkömmlichen Komponenten kommt es im Dauereinsatz zu Messungenauigkeiten – die integrierten LEDs verändern mit der Zeit ihre Leuchtstärke, die erforderlichen Lichtdetektoren ihre Sensibilität. Nur teure Komponenten konnten diese Effekte bislang ausgleichen.

Dies soll sich jetzt ändern: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin haben im EU-Projekt »ADOSE« gemeinsam mit Centro Ricerche Fiat und dem Chiphersteller STMicroelectronics ein Sensorsystem entwickelt, das sich auch für Autos der Mittelklasse und für Kleinwagen preiswert fertigen lässt. »Unser multifunktionales System besteht aus einer kompletten Kamera, zwei mit Fresnel-Linsen ausgestatteten Sensoren zum Detektieren von Lichtsignalen und einer Infrarot-LED. Da Nebel und Dämmerung optisch identische Spektren aufweisen können, ist es schwierig, diese beiden Lichtphänomene voneinander zu unterscheiden. Deshalb sendet die Infrarot-LED Lichtwellen aus, die bei Nebel zurückgestreut werden, nicht aber bei Dämmerlicht«, erläutert Dr.-Ing. Henning Schröder, Gruppenleiter am IZM. »Besonders diffizil ist es, das Lichtsignal aus einem weiten Öffnungswinkel einzufangen, zu bündeln und über die Leiterplatte auf die vier Ecken des Kamerachips zu leiten. Denn die Mitte des Chips ist für die Aufnahme des Kamerabilds reserviert«, so Schröder. Um dies zu ermöglichen, haben der Forscher und sein Team im Heißprägeverfahren Lightpipes entwickelt. Das sind hohle, verspiegelte Röhrchen, die das Lichtsignal sogar um bis zu 90 Grad umlenken können. Bislang wurden Lichtleitfasern für die Signalübertragung verwendet. Diese brechen jedoch bei geringen Biegeradien, sind teuer und müssen in aufwändiger Handarbeit montiert werden. »Mit den Lightpipes ist es uns gelungen, die optische Signalübertragung effizienter zu gestalten, das komplette System zu verkleinern und somit die Kosten zu senken«, sagt der Forscher. Durch die Heißprägung lassen sich mehrere optische Kanäle in einem Durchgang fertigen, die Montage wird also deutlich vereinfacht. Der Clou: Das System der IZM-Wissenschaftler ist skalierbar, es lässt sich um weitere Lightpipes erweitern – etwa um Sonneneinstrahlung zu erfassen.

Die Experten vom IZM haben nicht nur die Lightpipes, sondern auch die Fresnel-Linsen entwickelt. Zudem zeichnen sie für das Design des Sensormoduls verantwortlich, das per Rapid Prototyping realisiert wurde. Ein Prototyp des Sensormoduls liegt bereits vor. Centro Ricerche Fiat prüft ihn derzeit in einem ersten Feldtest.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Alternative zu Antibiotika entwickelt

Veröffentlicht am von

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Juni 2011

Antibiotika gehören zu den großen Errungenschaften der Medizin. Doch immer häufiger fällt die einstige Allzweckwaffe im Kampf gegen Infektionskrankheiten aus: Bakterien entwickeln zunehmend Resistenzen gegen Antibiotika. Forscher haben jetzt ein Therapieäquivalent gefunden, das Penicillin und Co. künftig ersetzen könnte.

Immer mehr Krankheitserreger sind immun gegen Antibiotika, einige Bakterien lassen sich schon heute nicht mehr bekämpfen. Die Weltgesundheitsorganisation WHO warnt vor wachsenden Resistenzen gegen die einst so potenten Medikamente. Wenn nicht schnell Gegenmaßnahmen ergriffen würden, könnten schon bald zahlreiche häufig vorkommende Infektionen nicht mehr behandelt werden, äußerte WHO-Chefin Margaret Chan. Nach Angaben der WHO steckten sich 2010 fast eine halbe Million Menschen mit einer Form der Tuberkulose an, die gegen viele Antibiotika unempfindlich ist ­- ein Drittel der Erkrankten starb. Als Ursache für die wachsende Verbreitung resistenter Erreger nennt die Organisation den unsachgemäßen Einsatz von Penicillin und Co.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zelltherapie und Immunologie IZI in Leipzig haben jetzt eine Alternative zu den etablierten Antibiotika gefunden: Antimikrobielle Peptide sollen künftig den Kampf mit den Krankheitserregern aufnehmen. »Wir haben bereits 20 dieser kurzen Ketten von Aminosäuren identifiziert, die zahlreiche Keime abtöten. Darunter fallen Enterokokken, Hefen und Schimmelpilze, aber auch humanpathogene Bakterien wie der Streptococcus mutans, der in der Mundhöhle Karies erzeugt. Sogar der multiresistente Krankenhauskeim Staphylococcus aureus wurde in unseren Tests in seinem Wachstum stark beeinträchtigt«, sagt Dr. Andreas Schubert, Gruppenleiter am IZI.

Aus bekannten fungizid und bakterizid wirkenden Peptiden erzeugten die Forscher zunächst Sequenzvariationen und testeten diese in vitro an unterschiedlichen Keimen. Die Fäulniserreger wurden etwa eine Stunde lang mit den künstlich hergestellten antimikrobiellen Peptiden inkubiert. Da die neu erzeugten Peptide kationische, das heißt positiv geladene Aminosäurereste besitzen, können sie an die negativ geladene Bakterienmembran binden und diese durchdringen. Bei ihren Tests verglichen die Forscher die Überlebensfähigkeit der Erreger im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle. Den Fokus legten die Experten auf Peptide mit einer Länge von weniger als 20 Aminosäuren. »Antibiotika-Peptide entfalten ihre mikrobizide Wirkung innerhalb von wenigen Minuten. Auch wirken sie bereits bei einer Konzentration von unter 1 µM, konventionelle Antibiotika hingegen erst bei einer Konzentration von 10 µM«, fasst Schubert die Testergebnisse zusammen. »Das Wirkspektrum der untersuchten Peptide schließt neben Bakterien und Pilzen lipidumhüllte Viren ein. Entscheidend ist außerdem, dass die in unseren Tests identifizierten Peptide gesunde Körperzellen nicht schädigen«, erläutert der Wissenschaftler.

Auch die Lebensmittelindustrie könnte künftig von den antimikrobiellen Peptiden profitieren, schließlich führt die Keimbelastung von Esswaren zu jährlichen Einnahmeausfällen in Milliardenhöhe. So sind etwa Frischsalate stark durch Hefen und Schimmelpilze kontaminiert. Würde man antimikrobielle Peptide bereits im Herstellungsprozess Nahrungsmitteln beimischen, könnte man deren Haltbarkeit verbessern. »Dies ist durchaus möglich, da die im Projekt untersuchten kurzkettigen Peptide kein allergologisches Risiko bei einer Zugabe in Lebensmittel aufweisen«, sagt Schubert. Projektpartner bei der Entwicklung der Peptide für Salate ist die Magdeburger ÖHMI Analytic GmbH. Der Forscher ist von den vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten überzeugt und zieht auch den Einsatz im Maschinenbau in Betracht – etwa um Hydrauliköle keimfrei zu halten. Im nächsten Schritt wollen der Experte und sein Team die antimikrobiellen Peptide in vivo an Infektionsmodellen testen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Wasser für die Mongolei

Veröffentlicht am von

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Mai 2011

In vielen Ländern der Welt ist sauberes Wasser ein rares Gut. Die Versorgung der Bevölkerung stellt die Behörden oft vor Probleme. In der Mongolei zeigt ein interdisziplinäres Forscherteam, wie sich die knappen Ressourcen effektiv nutzen lassen. Eigens entwickelte Software und Mess-Systeme helfen beim Aufspüren von Schwachstellen.

Die Mongolei ist ein Land der Gegensätze: im Sommer brütend heiß, im Winter eisig kalt; im Norden feucht, im Süden staubtrocken. In der Hauptstadt Ulaanbaatar lebt eine Million der drei Millionen Einwohner dicht gedrängt, während der Rest des riesigen Landes überwiegend von Nomaden mit ihrem Vieh genutzt wird. Eine flächendeckende Versorgung mit sauberem Trinkwasser ist schwierig: Wer sollte auf einer Fläche von 1,5 Millionen Quadratkilometern frostsichere Wasserleitungen verlegen? So nutzen die Menschen auf dem Land schon immer das Wasser aus den Flüssen oder aus Brunnen, die sie selbst graben. Doch diese traditionelle Wasserversorgung stößt jetzt an ihre Grenzen: In den vergangenen Jahrzehnten wurden die Regenperioden während der Sommermonate, die die Grundwasserspeicher aufgefüllt haben, immer seltener. An ihre Stelle traten Unwetter mit sintflutartigen Regengüssen, die oberflächlich abfließen, weil sie keine Zeit haben, zu versickern. Gleichzeitig stieg der Wasserbedarf der schnell wachsenden Bevölkerung. »Die Trinkwasserversorgung wird immer schwieriger. Wenn man sie langfristig sichern will, muss man sehr viele verschiedene Faktoren berücksichtigen und herausfinden, wie sie sich gegenseitig beeinflussen«, erklärt Dr. Buren Scharaw vom Fraunhofer-Anwendungszentrum Systemtechnik AST in Ilmenau. Der gebürtige Mongole arbeitet seit vier Jahren am Projekt MoMo – kurz für »Integriertes Wasser-Ressourcenmanagement in Zentralasien: Modellregion Mongolei«. Projektpartner sind die Universitäten Heidelberg und Kassel, die Bauhaus-Universität Weimar, das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung, das Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei sowie private Unternehmen. Die Modellregion, die die Forscher unter die Lupe genommen haben, sind das Einzugsgebiet des Flusses Kharaa und Darkhan, eine Stadt mit 100 000 Einwohnern.

Seit Beginn des Projekts 2006 ist Scharaw mehrmals in seine frühere Heimat gereist: Er hat die Wasserqualität der öffentlichen und privaten Brunnen sowie des Verteilungsnetzes untersucht, den Energieverbrauch der Pumpen gemessen, die Effektivität des Klärwerks erforscht. Alle Daten wurden in am AST entwickelte Computermodelle eingespeist. »Mit unserer Wassermanagement-Lösung HydroDyn haben wir erstmals die Möglichkeit, sowohl die Qualität als auch die Quantität der Wasserflüsse sichtbar zu machen und eine künftige Entwicklung zu modellieren«, erläutert der Forscher. Der Status Quo ist verbesserungsfähig: Die Wasserpumpen benötigen viel Energie, die Leitungen sind marode, fast die Hälfte des Trinkwassers versickert auf dem Weg zum Verbraucher. Viele Jurten verfügen über eigene Brunnen, das Wasser ist jedoch häufig mit Keimen kontaminiert, die von Latrinen eingeschwemmt werden. Was also ist zu tun? »Nachdem wir Daten erfasst und Modelle erstellt haben, beginnen wir jetzt, ökonomisch und ökologisch sinnvolle Vorschläge zu erarbeiten«, sagt Scharaw. Sein Team hat hierfür eine Software entwickelt, die ermittelt, wie sich die Wasserversorgung energiesparend und nachhaltig sichern lässt.

Um die Verluste im Trinkwasserverteilungs-Netz zu minimieren, haben die Fraunhofer-Forscher außerdem ein Mess-System entwickelt, mit dem sich Lecks orten lassen: Kleine Sensoren registrieren Druckabfall in den Leitungen, so lassen sich Löcher relativ genau lokalisieren. Ist die undichte Stelle ausgemacht, kann der betroffene Leitungsabschnitt gezielt ausgebessert werden. Um die Schadstoffbelastung der Gewässer zu senken und die Effektivität des bisherigen Klärwerks zu steigern, bauen die MoMo-Forscher jetzt eine Versuchskläranlage, die Mikroorganismen in hoher Konzentration enthält: »Wir erwarten, dass diese Anlage auch in der kalten Jahreszeit, wenn die Aktivität der Mikroorganismen abnimmt, noch gute Ergebnisse liefert. Diese Resultate lassen sich dann auf eine künftige Anlage übertragen.« In drei Jahren, wenn das MoMo-Projekt abgeschlossen ist, wollen die Experten der Verwaltung in Darkhan einen Maßnahmenkatalog vorlegen, der zeigt, wie sich die Wasserver- und -entsorgung in Zukunft effizient und kostengünstig sichern lässt. Einen seiner größten Erfolge sieht Scharaw darin, dass seine Ergebnisse die mongolischen Behörden bewogen haben, den Bergbau bereits in einigen Regionen des Kharaa-Einzugsgebiets zu stoppen: ein Gewinn, der weit über die Verbesserung des Trinkwassers von Darkhan hinausreicht.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Mitfahrzentrale für Frachtgüter

Veröffentlicht am von

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom April 2011

Rund 20 Prozent der Lkws auf deutschen Straßen sind ohne Ladung unterwegs. Der wirtschaftliche Schaden für die betroffenen Speditionen ist groß. Aber auch aus ökologischen und verkehrstechnischen Gründen sind Leerfahrten zu vermeiden. Eine neue Auktionsplattform soll zu einer besseren Auslastung der Fahrzeuge beitragen.

Die meisten Transportunternehmen in Deutschland haben ein ernstes Problem: Ihre Lkws sind nur teilbeladen oder ohne Rückfracht unterwegs. Seit 2006 liegt der Leerkilometer-Anteil deutscher Speditionen bei rund 20 Prozent. Da Experten für die nächsten Jahre jedoch eine drastische Zunahme des Güterverkehrs auf der Straße erwarten, müssen innovative Konzepte erforscht werden, um Leerfahrten zu vermeiden.

Für die Speditionen führen unnnötige Leerfahrten zu finanziellen Einbußen. Der wirtschaftliche Erfolg steht und fällt mit der optimalen Auslastung der Fahrzeuge. Deshalb akquirieren die Unternehmen zunächst mehr Aufträge, als sie mit der eigenen Flotte abwickeln können. Anschließend wählen sie diejenigen aus, die sich zu gewinnbringenden Touren kombinieren lassen. Die übrigen werden an Subunternehmer vergeben. Dieses Vorgehen ist jedoch aus zwei Gründen unbefriedigend. Zum einen sind Subunternehmer teuer, zum anderen ist der Auftragsbestand oftmals dennoch zu gering, um für die gesamte Fahrzeug-Flotte bessere Touren planen zu können.

Auftragspool für Spediteure

Eine Möglichkeit, den Auftragspool zu vergrößern, sehen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in der unternehmensübergreifenden Kooperation. Zu diesem Zweck haben die Wissenschaftler aus Kaiserslautern eine prototypische Softwareplattform entwickelt. Mit deren Hilfe bilden Transportdienstleister eine Kollaborationsgemeinschaft und einen gemeinsamen Auftragspool. »Bei unserer Software handelt es sich um eine Auktionsplattform mit Planungsfunktionalität. Gegenüber Internet-Frachtbörsen, über die Speditionen ihre Ladungen austauschen können, bietet sie einige Vorteile«, sagt Dr. Heiner Ackermann, Wissenschaftler am ITWM. »In den Online-Frachtbörsen lassen sich nur einzelne Aufträge austauschen. Das Bündeln von mehreren Aufträgen ist aufgrund des hohen Abstimmungsaufwands im Internet bisher nicht möglich«, sagt Ackermann und hat auch gleich ein Beispiel parat: »Möglicherweise lohnt sich der Umweg für einen Auftrag nicht. Kommt aber noch ein zweiter hinzu, rentiert sich die Fahrt. Mit unserer Auktionsplattform können sich mehrere Anbieter und Abnehmer zeitgleich austauschen. Sie sind in der Lage, ihre bestehenden Touren sinnvoll zu ergänzen, wodurch sich Aufträge günstiger als bisher ausführen lassen.« Sein Kollege Hendrik Ewe erläutert den Ablauf einer Auktion: »Zunächst stellen die Firmen die Aufträge ein, die nicht in den eigenen Tourenplan passen. Nach der Bietphase wird ermittelt, welche Spedition den Auftrag erhält. Die komplexen Gewinnaufteilungen zwischen Auftraggebern und Abnehmern berechnet die Software mithilfe von eigens entwickelten Algorithmen.«

Automatische Auftragssuche

Die Plattform lässt sich an Datenbanken anbinden. Sie setzt sich aus verschiedenen Modulen zusammen: Der »Marktplatz« wird auf einem Server installiert, hier können Aufträge eingestellt werden. Der »Bietassistent« läuft auf den Clients in den Speditionen. Mit ihm können die Spediteure automatisch im Marktplatz nach Aufträgen suchen. Das Tool erkennt, welchem Lkw die Aufträge zugewiesen werden sollen; es macht also Tourenvorschläge. »Unsere Software richtet sich an Speditionen, die langfristig miteinander arbeiten und ein Vertrauensverhältnis aufbauen wollen«, resümiert Ackermann. In anonymen Internet-Frachtbörsen lasse sich ein solches Verhältnis nicht etablieren.

In einer Pilotstudie mit realen Daten von Profitzentren einer großen deutschen Spedition konnten die ITWM-Forscher mit ihrer Auktionsplattform deutliche Einsparpotenziale demonstrieren. Derzeit sind die Wissenschaftler auf der Suche nach Speditionen, die das Konzept testen wollen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Keine Chance für Gammelfleisch

Veröffentlicht am von

Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom April 2011

Bei verpacktem Fisch oder Fleisch ist es kaum möglich, zwischen frischer und bereits ungenießbarer Ware zu unterscheiden. Fraunhofer-Forscher haben eine Sensorfolie entwickelt, die in die Packung integriert wird und dort die Qualitätskontrolle übernimmt. Bei verdorbener Speise warnt sie durch einen Farbwechsel.

Ob der eingeschweißte Hähnchenschenkel wirklich noch frisch und genießbar ist? Ansehen kann man es ihm nicht. Auch das Mindesthaltbarkeitsdatum stellt keine Garantie da. Gammelfleischskandale haben den Verbraucher zusätzlich verunsichert, und auch der Kunde selbst verkürzt möglicherweise durch falsche Lagerung die Haltbarkeit. Eine Sensorfolie der Fraunhofer-Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien EMFT in München kann hier unverzüglich grünes – nein: gelbes Licht geben oder bei verdorbener Ware warnen. Die EMFT hat sie in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekt entwickelt.

Farbwechsel zeigt verdorbene Ware an

Die Sensorfolie wird in die Innenseite der Verpackung integriert und reagiert auf biogene Amine. Das sind Moleküle, die beim Zersetzungsprozess von Lebensmitteln, vor allem Fisch und Fleisch, entstehen. Sie sind auch für den unangenehmen Geruch verantwortlich. Gelangen diese nun in die Luft in der Verpackung, so reagiert der Indikatorfarbstoff der Sensorfolie mit ihnen und wechselt seine Farbe von gelb zu blau. »Ab einem bestimmten Konzentrationsbereich ist die Farbänderung deutlich zu erkennen und kann somit eine Warnfunktion übernehmen«, erläutert Dr. Anna Hezinger, Wissenschaftlerin an der EMFT. Das ist nicht nur interessant, um ungenießbare Produkte zu erkennen. Viele Menschen reagieren überempfindlich auf bestimmte Amine. Eine Warnung ist für sie umso wichtiger.

Sensorfolie sorgt für Lebensmittelsicherheit

»Die Information der Sensorfolie beruht im Gegensatz zum Mindesthaltbarkeitsdatum nicht auf einer Schätzung, sondern auf der tatsächlichen Kontrolle des Lebensmittels«, betont Hezinger. Gleichzeitig ist das System sehr kostengünstig. Das ist wichtig, damit es auch im großen Maßstab eingesetzt werden kann. Andere Lösungen, beispielsweise elektronische Sensoren, würden den Preis des abgepackten Fleisches zu stark erhöhen. Darüber hinaus müssen Dinge, die direkt mit Lebensmitteln in Kontakt kommen können, hohen Anforderungen genügen. »Die Lebensmittelsicherheit ist hier durch eine Sperrschicht zwischen Sensorfolie und Produkt gewährleistet. Diese Barriere lässt nur gasförmige Amine durch. Die Indikatorchemikalien können nicht passieren«, erläutert Hezinger.

Zusätzlich arbeiten die Wissenschaftler an einem Messmodul mit eingebauter Sensorfolie. Mitarbeiter der Lebensmittel- und Verpackungsindustrie können damit die Ware direkt testen und die Frische bestimmen. Das Gerät wertet die Farbreaktion objektiv aus und liefert zudem ein genaueres Ergebnis als das menschliche Auge. Auch Farbzwischenstufen lassen sich so exakt bestimmen. Derzeit suchen Hezinger und ihr Team noch Industriepartner, um die Sensorfolie und das Messmodul weiter zu entwickeln und zu produzieren.

Externer Link: www.fraunhofer.de