Archiv der Kategorie: Forschungsgesellschaft

Künstliches Rauschen spart Energie bei Breitband-Internetzugängen

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Presseinformation der Fraunhofer-Gesellschaft vom 04.05.2009

Wie xDSL-Systeme in Zeiten der Klimadiskussion energie-effizienter und damit kostengünstiger arbeiten, das haben Wissenschaftler der Münchner Fraunhofer-Einrichtung für Systeme der Kommunikationstechnik ESK herausgefunden. Mit ihrem Forschungsergebnis liefern sie eine Lösung, die Netzanbieter schnell umsetzen könnten. Möglich macht das die Kombination vorhandener Techniken: Dem L2-Energiespar-Modus in ADSL2-Systemen und den Verfahren des künstlichen oder virtuellen Rauschens.

Ökologische und ökonomische Gründe zwingen auch Telekommunikationsunternehmen zum Einsatz energiesparender Systeme. Das breitbandige DSL-Zugangsnetz verbraucht weltweit etwa 20 Milliarden Kilowattstunden Energie pro Jahr. Das entspricht vier Prozent des jährlichen Energieverbrauchs in Deutschland. Längst ließe sich der Verbrauch des DSL-Netzes mit dem Einsatz eines Ruhemodus (des L2-Modus) in gängigen ADSL2/ADSL2+-Systemen signifikant senken. Bisher laufen Breitbandzugänge stets auf voller Leistung, doch der L2-Modus reduziert bei ruhender Kommunikation die Sendeleistung des Systems und damit dessen Stromverbrauch. Obwohl der Modus bereits standardisiert und in vielen Geräten auf Empfänger- und Vermittlungsseite vorhanden ist, kommt er nicht zum Einsatz. Das Problem: Der Ruhemodus verursacht erhebliche Störungen in benachbarten DSL-Systemen.

Wenn ein Modem sich verbindet und den Sparmodus verlässt, die benachbarten Modems sich aber noch im Ruhezustand befinden, tritt nur eine geringe Störung auf und es verbindet sich mit einer extrem hohen Datenübertragungsrate. Erwachen nun aber beispielsweise Systeme in den Nachbarwohnungen, wird die Störung im ersten System so groß, dass die Verbindung abreißt und das Modem erst nach einer längeren Neustartphase und dann auch nur mit deutlich reduzierter Datenrate wieder online gehen kann. Aus diesem Grund deaktivierten die Betreiber von Breitbandnetzen den Energiesparmodus und nahmen ihn auch nicht in die Standardisierung für zukünftige Breitbandanschlüsse mit schnelleren Datenübertragungsraten (VDSL) auf.

Wissenschaftlern vom ESK ist es jetzt gelungen, künstliches oder virtuelles Rauschen für die Stabilisierung von DSL-Anschlüssen anzuwenden, um damit den energiesparenden Modus doch einsetzen zu können. Das künstliche Rauschen täuscht den Breitbandempfängern eine Störung vor, wie sie für das genutzte Kabelbündel typisch ist. Will sich ein Modem mit dem Internet verbinden, registriert das System eine normale Störung, selbst wenn das Gerät in der Nachbarwohnung im Ruhezustand ist. Die Verbindung baut sich zwar nicht mit der größtmöglichen, sondern einer geringfügig reduzierten Übertragungsrate auf, bleibt aber auch dann stabil, wenn der Nachbar online geht.

Sowohl der L2-Modus als auch das künstliche Rauschen lassen sich schon jetzt einsetzen. Mit ihrer Arbeit zeigen die ESK-Forscher, wie sich beide Technologien miteinander kombinieren lassen, um das Surfen mit Breitbandgeschwindigkeit energiesparender und dabei stabiler zu machen. Netzbetreiber könnten jährlich mehrere Millionen Kilowattstunden Strom und damit allein in Deutschland 1,5 Millionen Euro Betriebskosten sparen. Kleines Manko: Zunächst sparen dabei nur die Netzbetreiber, nicht die Nutzer.

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Mikrokapseln mit Zuckerglasur

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 30.04.2009

Mikrokapseln mit asymmetrischer Membran könnten Arzneimittel gezielt zu Krankheitsherden bringen

Medikamente gezielt zu Krankheitsherden zu transportieren, wird jetzt realistischer: Chemiker am Max-Planck-Institut für Kolloid-und Grenzflächenforschung haben Mikrokapseln in wässriger Umgebung hergestellt, die das ermöglichen könnten. Die Wände der Vesikel bestehen außen aus dem Zucker Glukose und innen aus Polyethylenoxid. Der asymmetrische Aufbau erlaubt es, der äußeren und inneren Schicht unterschiedliche Aufgaben zuzuweisen. So könnten die Mikrokapseln in dem Polyethylenoxid Arzneimittel einhüllen und über ihre zuckrige Oberfläche an bestimmten Zellen, wie etwa Tumorzellen, andocken. (Chemical Communications, 28. März 2009; DOI: 10.1039/b820887e)

Paul Ehrlich, der 1908 den Medizin-Nobelpreis erhielt, wollte Krebsmedikamente in „Zauberkugeln“ zu Tumoren schleusen. In Mikrokapseln sollten die Wirkstoffe zum einen unbeschadet in die erkrankten Regionen des Körpers gelangen. Zum anderen sollten sie die Wirkstoffe, die auch gesunde Zellen schädigen, nur in Tumorzellen abgeben, um die Nebenwirkungen zu reduzieren. Diesem Ziel sind Forscher des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam nun einen Schritt näher gekommen: Sie haben Mikrokapseln, Vesikel, mit einer asymmetrischen Membran konstruiert.

Außen tragen die Vesikel Moleküle des Zuckers Glukose. Auch auf der Oberfläche vieler Zellen sitzen Zuckermoleküle, die, zusammen mit Proteinen, bei der Kommunikation zwischen Zellen eine große Rolle spielen. Das gilt auch für kranke Zellen. Daher könnten zuckerdekorierte Mikrokapseln helfen, Wirkstoffe in Krankheitsherde einzuschleusen. Das Innere der Kapseln ist mit Polyethylenoxid gefüttert, das als Trägermaterial für Arzneistoffe dienen kann. „Wenn wir die Außen- und Innenwand unterschiedlich beschichten, können wir dafür sorgen, dass die Mikrokapseln mit ihrer Innenwand Wirkstoffe aufnehmen und auf ihrer Außenwand Sensoren für kranke Zellen tragen“, sagt Helmut Schlaad, der an den Arbeiten am Potsdamer Max-Planck-Institut maßgeblich beteiligt war.

Um Vesikel zu bauen, deren Äußeres sich vom Inneren unterscheidet, verwendeten die Forscher ein Blockcopolymer. Das eine Ende des langen Kettenmoleküls besteht aus Polyethylenoxid, am anderen Ende der Kette hängen Zuckermoleküle, wie Lampen an einer Lichterkette. Sowohl die Zucker als auch das Polyethylenoxid sind wasserlöslich. Dazwischen besteht die Kette aus wasserunlöslichen Gliedern. „Im Wasser haben wir beobachtet, dass das Polymer Vesikel formt“, sagt Schlaad.

Eine Reihe weiterer Untersuchungen haben den Forschern dann Hinweise gegeben, wie die Wände der Vesikel aufgebaut sind. Demnach lagern sich die Kettenmoleküle zu einer Membran aneinander, so dass nur die wasserlöslichen Teile der Polymere in Kontakt zu dem Medium kommen. Das heißt, die unlöslichen Teile liegen in der Membran, während die wasserlöslichen die Oberflächen bilden. Dabei legen sich die Kettenenden mit dem Polyethylenoxid und die Enden mit den Zuckermolekülen jeweils ordentlich nebeneinander – so ergibt sich die Asymmetrie. Und da eine Kugel die günstigste Möglichkeit bietet, das Wasser völlig von den wasserunlöslichen Teilen fern zu halten, bilden sich Vesikel.

Dass die Membran asymmetrisch aufgebaut ist und die Glukose außen auf den Mikrokapseln sitzt, fanden die Forscher mit Hilfe der zweidimensionalen Kernresonanzspektroskopie (NMR) und der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS) heraus, die Moleküle besonders empfindlich nachweist. Für letztere mischten sie Nanopartikel aus Gold unter die Mikrokapseln im Wasser. Im SERS-Spektrum haben sie dann erkannt, dass die Goldpartikel mit den Zuckermolekülen eine lose Verbindung eingegangen sind. Der Zucker muss daher auf der Außenhaut der Kapsel sitzen. Und Helmut Schlaad hat auch eine einfache Erklärung dafür: Glukose ist besser wasserlöslich und kann die Vesikel besser stabilisieren als Polyethylenoxid. Zudem beanspruchen die Glukosemoleküle an der Grenzfläche zum Wasser mehr Platz als die Polyethylenoxidkette und besetzen daher die Außenseite.

Damit die Vesikel künftig einmal als Vehikel für Arzneimittel dienen können, müssen die Forscher noch einige Probleme lösen, Denn die Kapseln müssen einen Wirkstoff am Krankheitsherd auf Befehl abgeben. „Daher arbeiten wir an Vesikeln, deren Membran auf den pH-Wert oder die Temperatur reagiert und dabei entweder durchlässig wird oder sich gleich ganz auflöst“, sagt Schlaad. Außerdem wollen er und seine Kollegen künftig Vesikel mit einer Hülle aus anderen Zuckern bauen, wie etwa Galaktose oder Mannose: „Auf diese Weise wollen wir die Oberfläche gezielt so gestalten, dass sie in Kontakt zu bestimmten Zellen treten kann.“ [PH/JD]

Originalveröffentlichung:
Helmut Schlaad, Liangchen You, Reinhard Sigel, Bernd Smarsly, Matthias Heydenreich, Alexandre Mantion and Admir Masic
Glycopolymer vesicles with an asymmetric membrane
Chem. Commun., 28. März 2009; DOI: 10.1039/b820887e

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Elektro-Smog auf der Platine

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom April 2009

Je kleiner Bauteile in elektronischen Schaltungen werden, desto stör-anfälliger sind sie: Sitzen die Bauteile zu dicht, können sie sich beeinflussen. Ein Nahfeldscanner spürt solche schwachen Felder präzise auf. Mit ihm lassen sich auch Bankkarten besser vor Betrügern schützen.

Ihre Winzigkeit ist ihre Stärke – und ihre Schwäche. Egal ob im Handy, Auto oder Computer: Elektronische Komponenten werden immer kleiner und leistungsfähiger. Je kleiner sie sind, desto schneller können sie schalten und desto weniger Energie brauchen sie für jeden Schaltvorgang. Allerdings schrumpfen mit dem Energiebedarf auch die Störabstände. »Die Schaltungen werden mit jeder Generation anfälliger«, weiß Thomas Mager von der Fraunhofer-Einrichtung für Elektronische Nanosysteme ENAS in Paderborn. »Noch vor wenigen Jahren bedurfte es mehrerer Volt, um die zwei- bis dreihundert Millionen Transistoren eines Gigahertz-Prozessors aus dem Takt zu bringen. Heute reichen mitunter schon ein paar hundert Millivolt, um Millionen von Transistoren zu stören.« Für die Designer elektronischer Schaltungen bedeutet dies, dass sie sich zunehmend Gedanken um die elektromagnetische Verträglichkeit machen müssen: Es geht nicht mehr nur darum, größere elektronische Einheiten – etwa Handy und mp3-Player – vor äußeren Einflüssen zu schützen oder das Umfeld vor den elektromag-netischen Emissionen der Geräte, es geht um das Verhalten jedes einzelnen Bauteils auf der Platine.

Im Verbund mit den Projektpartnern Continental und Infineon Technologies ist am Fraunhofer ENAS ein Messsystem entstanden, das selbst schwache elektrische und magnetische Felder auf hundertstel Millimeter genau aufspürt. Wo gibt es Bereiche mit auffällig hoher elektro-magnetischer Strahlung? Wie beeinflussen sich die Bauelemente untereinander? Mit dem Nahfeldscanner lassen sich einzelne Chips und Prozessoren ebenso vermessen wie komplette Laptops, Mobiltelefone oder Steuergeräte für Fahrzeuge. Der Scanner deckt auf, welche Felder das Testobjekt abstrahlt.

»Außerdem arbeiten wir mit unserem französischen Projektpartner cea-leti daran, gezielt elektromagnetische Felder an das Testobjekt anzulegen. So können wir prüfen, welche Bereiche sensitiv auf äußere Felder reagieren«, sagt Mager. Das macht das System auch für die Entwickler von Smartcards interessant: Betrüger entlocken etwa Bankkarten vertrauliche Informationen, indem sie sie mit Laser-, Spannungs- oder Stromimpulsen traktieren. Die so entstehenden Feldmuster können Hinweise über die Chip-Karte geben und beispielsweise die PIN-Nummer verraten. Der Nahfeldscanner macht die abgestrahlten Felder der Karte räumlich und zeitlich sichtbar, zeigt ihre Schwachstellen auf und hilft den Karten-Entwicklern, ihre Produkte besser vor den Betrügern zu schützen.

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Gene flirten auf Distanz

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 07.04.2009

Geschlossene DNA-Sequenzen erkennen laut einem mathematischen Modell ähnliche Abschnitte in anderen DNA-Doppelsträngen

Gene können nach Ansicht eines Gastwissenschaftlers am Max-Planck-Institut für Mathematik in den Naturwissenschaften schon von Weitem erkennen, ob ein anderes Gen dem eigenen Aufbau entspricht. „Gene verhalten sich wie Gäste auf einer Party“, sagt Alexei Kornyshev, Professor für chemische Physik. „Lernen sich dort zwei Menschen kennen, prüfen sie auch erst aus der Distanz, ob sie füreinander interessant sind.“ In Leipzig hat Kornyshev nun berechnet, wie weit homologe Abschnitte der DNA, also solche mit sehr ähnlichem Aufbau, voneinander entfernt sein dürfen, um Ähnlichkeiten festzustellen. Homologe Gene tauschen sich etwa aus, wenn Kinder gezeugt werden und sich dabei die Erbinformation der Eltern mischt. „Wüssten wir, wie Gene den richtigen Austauschpartner finden, könnten wir falsche Kombinationen bei künstlicher Befruchtung verhindern“, erklärt Kornyshev. (PNAS 2009, Online-Vorabpublikation 9. März 2009, doi:10.1073/pnas.0811208106)

Trotz der Fülle an menschlichen Genen finden sich im Genom ähnliche Exemplare mit hoher Präzision. Das ist wichtig, denn bei der Vererbung ebenso wie bei der Reparatur defekter Gene dürfen nur Teile ausgetauscht werden, die Informationen für dasselbe Merkmal tragen, die also zu zwei Varianten desselben Gens gehören. Auf die Frage, wie die Gene einander erkennen, wissen die Forscher bislang keine Antwort.

Zwei große Theorien gebe es, erläutert Alexei Kornyshev, der am Max-Planck-Institut für Mathematik berechnet hat, wie aneinander vorbei gleitende Doppelstränge der DNA wechselwirken. Die eine Theorie geht davon aus, dass ähnliche Sequenzen sich nur finden, wenn der Doppelstrang sich wie ein Reißverschluss geöffnet hat. Kornyshev gehört dagegen zu den Forschern, die meinen, dass homologe Gene, also solche mit vergleichbarer Zusammensetzung, sich schon aus der Ferne identifizieren und ein Auftrennen der Doppelstränge nicht nötig sei.

Möglich ist das – so sein Modell – weil sich zwischen den negativ geladenen Doppelsträngen der DNA, die sich wie eine Wendeltreppe winden, positiv geladene Teilchen festsetzen, etwa Natrium-, Kalium- oder Magnesiumionen. Die unterschiedlich geladenen Bereiche übten anziehende Kräfte aufeinander aus, wenn zwei Doppelstränge aneinander vorbei glitten, schildert der Wissenschaftler.

Nun hat Kornyshevs Team untersucht, wie weit zwei Doppelstränge gegeneinander verschoben werden dürfen, damit sich die ähnlichen Sequenzen noch erkennen. Dazu betrachteten die Forscher, wie durch ein Fenster einen Abschnitt eines Gens und berechneten, wie sich die Energie ändert, wenn ein zweiter DNA-Doppelstrang vorbei gleitet. Dabei stellten sie fest: Ein Gen merkt, dass sich ein ähnliches nähert, bevor die beiden exakt gegenüber stehen. Es „spürt“, dass sich eine energetisch günstigere Position bietet.

Solange die homologen Teile um mehr als die Hälfte der Fensterbreite zueinander versetzt sind, entspricht die Wechselwirkung noch der zwischen verschiedenen Genen. Nähern sich die homologen Doppelstränge weiter an, sinkt die Energie. Sie ist am kleinsten, wenn die beiden Doppelstränge einander exakt gegenüber liegen. Die Kurve, die den Energievorteil beschreibt, sieht aus wie die Kontur eines umgedrehten Sombreros. Sie zeigt: Homologe Sequenzen erkennen sich schon aus gewisser Distanz.

Bereits 2001 hatte ein Team um Kornyshev ein Modell aufgestellt, das beschreibt, wie zwei Doppelstränge aufgrund ihrer negativen Phosphate und der zwischen den Strängen angedockten positiven Ionen miteinander in Wechselwirkung treten. Um zu einer mathematischen Formel zu gelangen, modellierten die Wissenschaftler einen Doppelstrang als zwei zueinander parallele Seile, die sich um eine Litfasssäule winden. Die elektrischen Ladungen bildeten sie ab, indem sie die Seile als negativ, die Zwischenräume als positiv geladen ansahen.

Stehen zwei identisch umwickelte Litfasssäulen nebeneinander, dann liegt das geladene Seil der einen Litfasssäule immer exakt den Zwischenräumen der anderen Litfasssäule gegenüber. Das ist energetisch günstig, weil sich unterschiedliche Ladungen anziehen. Diese Position können nur homologe Doppelstränge einnehmen, denn in der DNA windet sich jede Kombination benachbarter Bausteine in einem bevorzugten Winkel. Übertragen auf die Litfasssäule sind die Seile also nicht gleichmäßig aufgewickelt, sondern an manchen Stellen steiler. Stellt man nun zwei Litfasssäulen nebeneinander, die verschiedene DNA-Sequenzen darstellen, liegen nicht immer positive und negative Ladungen gegenüber. Da gleiche Ladungen sich abstoßen, ist diese Situation energetisch von Nachteil. Mit seinen neuen Rechnungen hat Kornyshev nun gezeigt, wie weit der Energievorteil spürbar ist, wenn zwei homologe DNA-Stränge aneinander vorbei gleiten.

„Es ist klar, dass sich Modell und Realität unterscheiden“, sagt Kornyshev, „die DNA ist durchaus komplexer als von uns dargestellt“. Dennoch hätten erste Versuche im Reagenzglas gezeigt, dass geschlossene homologe DNA-Sequenzen aus mehreren hundert Bausteinen ohne Hilfe von Proteinen zueinander finden. Es sei daher durchaus möglich, dass sich homologe Gene anhand ihrer Struktur erkennen, bevor der komplexe Prozess starte, in dem sich die Stränge auftrennen und austauschen, erläutert der Wissenschaftler. [NV/BA]

Originalveröffentlichung:
Alexei A. Kornyshev und Aaron Wynveen
The homology recognition as well as innate property of DNA structure
PNAS 2009, Online-Vorabpublikation 9. März 2009, doi:10.1073/pnas.0811208106

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Bloß nicht überhitzen

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom April 2009

In elektronischen Produkten finden immer mehr Bauelemente Platz. Sie alle produzieren Wärme. Überhitzung würde jedoch das Aus für Laptops und Co bedeuten. Hersteller bauen daher Metallplatten ein, die die Wärme ableiten. Ein neues Verbundmaterial erledigt das besser.

Waren tragbare Computer vor einigen Jahren noch recht sperrig, passen sie nun bequem in kleine Aktentaschen. Denn die Bauelemente, die sich auf den Substraten und Mikrochips befinden, schrumpfen von Modell zu Modell und rücken immer näher zusammen. Es finden zunehmend mehr Bauteile Platz auf den Chips. All diese Teile erhitzen sich und strahlen Wärme ab – sie wirken fast wie kleine Kraftwerke. Je mehr Bauteile auf kleinstem Raum nebeneinander arbeiten, desto schwieriger ist es, die Wärme abzuführen. Zu viel Wärme kann jedoch das Aus für die Elektronik bedeuten: Die Bauelemente und Verbindungsstellen halten nur Temperaturen von 90 bis 130 Grad Celsius stand. Um die Wärme abzuführen, bauen die Hersteller daher eine kleine Platte aus Kupfer oder Aluminium unterhalb der Komponenten ein – sie leitet die Wärme nach außen ab. Diese Platte wiederum ist mit Keramikkomponenten oder Silizium, dem Hauptbestandteil des Chips, verlötet. Erwärmt sich dieses System, dehnt sich die Metallplatte etwa drei- bis viermal so stark aus wie das Silizium und die Keramiken. Es treten Spannungen auf, in den Lötstellen können Risse entstehen. Der Miniaturisierung sind daher Grenzen gesetzt.

Um die Wärme auch bei einer hohen Bauteildichte optimal abzuführen und auch immer kleiner werdender Elektronik ein langes Leben zu bescheren, wünschen sich Industriekunden ein Material mit besonderen Eigenschaften: Es soll Wärme noch besser leiten als das bisher verwendete Aluminium oder Kupfer, sich bei hohen Temperaturen aber nicht stärker ausdehnen als Keramik oder Silizium. Ein solches Material haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden im EU-Projekt »ExtreMat« entwickelt; gemeinsam mit Industriepartnern wie Siemens und Plansee. Die Forscher haben die recht hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer noch übertroffen: »Wir haben dem Kupfer Diamant-Pulver zugefügt. Diamant leitet Wärme etwa fünfmal besser als Kupfer«, sagt Dr.-Ing. Thomas Schubert, Projektleiter am IFAM. »Der entstandene Werkstoff dehnt sich bei Erwärmung nicht weiter aus als Keramik, leitet Wärme aber anderthalbmal besser als Kupfer. Das ist eine einzigartige Kombination von Eigenschaften.« Kupfer und Diamant zusammenzubringen, ist jedoch nicht einfach: Die Forscher mussten eine dritte Zutat finden, die Kupfer und Diamant chemisch miteinander verbindet. »Dafür verwenden wir z.B. Chrom. Bereits geringe Mengen bilden an der Diamantoberfläche eine Carbidschicht aus, die sich mit Kupfer gut verbindet«, erklärt Schubert. Erste Demonstratoren des Materials gibt es bereits.

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