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Flugzeug-Sensoren ohne Batterie und Kabel

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Presseaussendung der TU Wien vom 18.03.2013

Eine Idee von EADS und TU Wien hebt ab: Gemeinsam wurden Flugzeug-taugliche Energy Harvester Module getestet, die zukünftig Sensoren mit elektrischem Strom versorgen sollen.

Wie ein Nervensystem sollen Netze aus Sensoren in Zukunft wichtige Daten auf der Flugzeughülle registrieren und weiterleiten. Eine Verkabelung dieser Sensoren wäre viel zu aufwändig und zu schwer. In gemeinsamer Forschungsarbeit entwickelten daher nun EADS Innovation Works und die TU Wien ein wenige Zentimeter großes „Energy Harvesting Modul“, das Sensorsysteme im Flugzeug mit Energie versorgen kann. Der Sensor leitet seine Daten per Funk weiter – so soll eine völlig neue Sensor-Einheit in der Flugzeugwand entstehen.  Die Energie wird aus dem Temperaturunterschied zwischen eisigen Höhen und wärmerer Bodenluft gewonnen. Nun wurden diese Energy Harvesting Module erstmals in Testflügen unter realen Flugbedingungen erprobt – mit Erfolg.

Kostenfaktor Flugzeugwartung

Die Wartung von Flugzeugen ist teuer: Mit ca. 20% der Gesamtkosten ist sie einer der wichtigsten Kostenfaktoren des Fliegens, neben den Gehältern des Flugpersonals, Treibstoffkosten und der altersbedingten Wertminderung des Flugzeugs. Anstatt das ganze Flugzeug mühsam zu inspizieren sollen daher in Zukunft autonome Sensoren die nötigen Daten liefern. Diese Daten werden über Funk an Wartungsrechner gesendet und am Boden ausgelesen.

„Ein solches System hat also offensichtlich große Vorteile. Das Hauptproblem liegt allerdings in der Energieversorgung“, erklärt Prof. Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. „Herkömmliche Batterien sind für die großen Temperaturwechsel, die ein Flugzeug permanent ausgesetzt ist, nicht ausgelegt. Außerdem will niemand regelmäßig all die Sensorbatterien im ganzen Flugzeug auswechseln. Eine Verkabelung wiederum würde das Flugzeuggewicht empfindlich erhöhen.“ Zusammen mit EADS Innovation Works entwickelte er daher eine Methode, direkt an der Flugzeugwand elektrische Energie für die Sensoren zu gewinnen.

Energie aus Temperaturunterschieden

Wenn zwei Punkte, an denen unterschiedliche Temperaturen herrschen, mit zwei verschiedenen elektrisch leitfähigen Materialien verbunden werden, kann elektrische Spannung entstehen – dieses Phänomen bezeichnet man als „Seebeck-Effekt“. Die Außenwand des Flugzeugs macht bei Start und Landung eine massive Temperaturänderung durch, dabei entstehen Temperaturunterschiede zwischen der Außenseite und der Innenseite der Wand. „Optimal nützen können wir das durch einen kleinen Wärmespeicher“, erklärt Alexandros Elefsiniotis, Dissertand von Prof. Schmid. „Ein Wasserreservoir mit etwa zehn Kubikzentimetern Fassungsvermögen wird aufgewärmt, wenn das Flugzeug am Boden steht und speichert die Wärme, sodass dann hoch in der Luft damit Strom erzeugt werden kann.“ Während des Fluges kühlt das Wasser ab und friert ein. Bei der Landung ist dann die Außenseite des Flugzeuges wärmer als das Wasserreservoir, derselbe Effekt kann in umgekehrter Richtung noch einmal genutzt werden.

Durch eigens entwickelte elektronische Schaltungen wird sichergestellt, dass die zeitlich fluktuierenden Thermo-Ströme in einen gleichmäßigen Strom mit ausreichend hoher Spannung umgewandelt wird, mit dem ein Sensor stundenlang versorgt werden kann.

Erfolgreiche Tests bei EADS

Am Beginn des Projektes standen Simulationsrechnungen und Klimakammer-Experimente, in den letzten Monaten wurden aber von EADS Innovation Works erstmals Testflüge auf Airbus-Flugzeugen mit Energy Harvesting Modulen durchgeführt. Alexandros Elefsiniotis analysierte die Ergebnisse: „Wir konnten pro Flug etwa 23 Joule Energie gewinnen – für den Sensorbetrieb reicht das aus.“ Je nach Außentemperatur könnten auch andere Materialien oder andere Flüssigkeiten als Wasser besser geeignet sein – derzeit wird noch an passenden Strategien für Extremfälle geforscht, etwa für Flugrouten in sehr kalten Regionen.

„EADS Innovation Works will auch in Zukunft die beste verfügbare Technologie für die autonome Sensorik verwenden, daher ist die neue Methode für uns höchst interessant“, erklärt Prof. Becker von EADS Innovation Works. „Wir sind zuversichtlich, dass die selbstversorgenden Sensoren schon bald in unseren Flugzeugen mitfliegen werden.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Ketchup schlägt Purzelbäume

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Pressemitteilung der TU München vom 06.03.2013

Wissenschaftler entwickeln ein Modell komplexer Flüssigkeiten:

Blut, Farbe oder Ketchup sind komplexe Flüssigkeiten, die aus mehreren unterschiedlichen Bestandteilen zusammengesetzt sind. Für die Konstruktion von Pumpen oder die Verbesserung technischer Prozesse benötigen Wissenschaft und Technik Beschreibungsmodelle. Sie machen die besonderen Eigenschaften solcher Flüssigkeiten berechenbar. Forscher der Technischen Universität München (TUM) und der Eidgenössisch Technischen Hochschule Zürich (ETHZ) haben nun ein solches Modell entwickelt. In der aktuellen Ausgabe des angesehenen Journals „Physical Review Letters“ stellen sie es vor.

Das ungewöhnliche Verhalten komplexer Flüssigkeiten kennen wir aus dem Alltag: Kuchenteig steigt beim Rühren am Rührstab hoch, Ketchup wird flüssiger wenn man ihn schüttelt. Auch die Technik nutzt solche Phänomene: Wenn man eine kleine Menge langkettiger Kunststoffmoleküle zugibt, kann eine Pipeline viel mehr Erdöl transportieren. Die Polymere verringern den Fließwiderstand. Doch der Ursprung dieser Effekte war bislang unklar. Die Ingenieure waren auf Schätzungen und langwierige Versuchsreihen angewiesen.

Ein Physikerteam unter Leitung von Professor Andreas Bausch, Inhaber des Lehrstuhls für Zellbiophysik an der TU München, entwickelte nun ein Beschreibungsmodell für solche Flüssigkeiten. Experimentelles Herzstück der Arbeit sind ein feiner Strömungskanal und eine Mikrokamera. Ähnlich wie die Kamera, die bei Formel 1-Rennen von oben auf die Boxengasse blickt, beobachteten die Wissenschaftler damit die Bewegungen einzelner Polymermoleküle in der Strömung.

Aus ihren Beobachtungen leiteten sie ein theoretisches Modell für die Bewegung verschieden steifer Moleküle in der Strömung ab. Darüber hinaus gelang es ihnen auch, für von Kollegen vermutete Bewegungsmuster eine experimentelle Bestätigung zu liefern.

Herausforderung für Theorie und Experiment

„Aufgrund der unglaublich großen Zahl von Freiheitsgraden ist die Untersuchung und Beschreibung der Bewegung von Polymeren eine große Herausforderung“, sagt Markus Harasim, einer der beiden Hauptautoren. Schon ein einfaches System aus Wasser und Polymer zeigt die Effekte komplexer Flüssigkeiten. Um darin die lang gestreckten Moleküle sichtbar zu machen, markierten die Physiker die Polymere mit einem fluoreszierenden Farbstoff. So konnten sie die Bewegungen unter verschiedenen Bedingungen studieren.

Bei der mathematischen Modellierung zeigte sich zu ihrer Überraschung, dass bereits das einfache Modell eines steifen Stabes als Ausgangsbasis geeignet war. Dieses Modell verfeinerten die Wissenschaftler dann durch Berücksichtigung der Wärmebewegung, der Biegsamkeit des Moleküls und des höheren Strömungswiderstands eines gebogenen Polymers. „Da wir die mikroskopischen Mechanismen nun kennen, können wir darauf Modelle für kompliziertere Geometrien und Strömungen aufbauen. Und mit dem vorgestellten experimentellen Ansatz sollten sich diese auch beweisen lassen“, sagt Coautor Bernhard Wunderlich, der in seiner Freizeit Rapper bei der Hiphop-Band „Blumentopf“ ist.

Die Arbeiten wurden mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft und des Exzellenclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM) unterstützt.

Publikation:
Direct Observation of the Dynamics of Semiflexible Polymers in Shear Flow. Markus Harasim, Bernhard Wunderlich, Orit Peleg, Martin Kröger, and Andreas Bausch, Physical Review Letters, online, 4. März 2013. DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.108302

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Schleimfressern im Darm auf der Spur

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Pressemeldung der Universität Wien vom 04.03.2013

Einem Team um die Mikrobiologen David Berry, Alexander Loy und Michael Wagner von der Fakultät für Lebenswissenschaften der Universität Wien ist es in Zusammenarbeit mit ForscherInnen der Max F. Perutz Laboratories (Universität Wien und Medizinische Universität Wien) mit Hilfe der NanoSIMS-Technologie erstmals gelungen, in den Darm hineinzuschauen und Mikroorganismen beim Fressen der Darmschleimhaut zu beobachten. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes erscheinen aktuell in der renommierten Zeitschrift „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS).

Wer das Forschungsprojekt von Michael Wagner und seinem Team verstehen will, muss bereit sein, dem Wissenschafter in die Untiefen des Mäusedarms zu folgen. Michael Wagner, Professor für Mikrobielle Ökologie der Universität Wien, erklärt das vereinfacht so: „Wie die Kuh auf der Wiese weidet, so weiden dort die Bakterien auf dem durch die Darmschleimhaut ausgeschiedenen Schleim. Sie ernähren sich also nicht vom Futter der Mäuse. Es gibt eine Gruppe von Mikroorganismen, die darauf spezialisiert ist, Ausscheidungsprodukte ihres Wirts zu fressen.“ Die Schleimschicht im Darm ist eine wesentliche Barriere für das Eindringen krankheitserregender Mikroorganismen in den Körper und spielt auch bei entzündlichen Darmerkrankungen eine große Rolle. Darum interessiert sich die Wissenschaft dafür, welche Bakterien im gesunden Organismus diese Schleimschicht bewohnen und somit möglicherweise die Besiedelung und den Abbau dieser Barriere durch Krankheitserreger unterdrücken.

Kooperation: Department für Mikrobielle Ökologie und Max F. Perutz Laboratories

Das Team um Michael Wagner und Alexander Loy wollte im Rahmen ihres durch das österreichische Genomforschungsprogramms GEN-AU unterstützten Projektes wissen: Für welche Organismen in gesunden Mäusen ist die Mucosa, die Darmschleimschicht, eine Delikatesse? „Wir haben uns einen Versuchsaufbau ausgedacht, mit dessen Hilfe es uns weltweit zum ersten Mal gelungen ist, in den Darm hineinzuschauen und die Organismen beim Abweiden des Schleims direkt zu beobachten und zu messen, wie viel Schleim von ihnen aufgenommen wurde“, erklärt Gruppenleiter Alexander Loy vom Department für Mikrobielle Ökologie der Universität Wien. Dazu haben MikrobiologInnen mit Unterstützung der Teams um Thomas Decker vom Department für Mikrobiologie, Immunbiologie und Genetik der Max F. Perutz Laboratories und Bärbel Stecher von der LMU München eine Aminosäure mit stabilen Isotopen markiert, von der man weiß, dass ein Gutteil nach der Aufnahme in die Blutbahn im Schleim landet. Wagner sagt: „Nach wenigen Stunden konnten unsere Kooperationspartner Andreas Richter und Wolfram Wanek vom Department für Terrestrische Ökosystemforschung der Universität Wien mit Hilfe der Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie tatsächlich feststellen, dass die Isotopen im Darmschleim angekommen sind und dort von Bakterien abgebaut wurden.“ Damit waren die Voraussetzungen geschaffen, um jene Bakterien identifizieren zu können, die sich von der Schleimschicht ernähren.

Forschungserfolg durch NanoSIMS-Facility der Universität Wien

Schlüsseltool bei den Untersuchungen war die hochauflösende Sekundärionen-Massenspektrometrie, kurz NanoSIMS genannt. Dabei handelt es sich um ein mehr als zwei Millionen Euro teures Gerät, das seit Februar 2010 an der Fakultät für Lebenswissenschaften der Universität Wien im Einsatz ist und seitdem vom Team um Michael Wagner für Anwendungen in der Mikrobiologie und Ökologie weiterentwickelt wird. „Mit Hilfe dieser Technik können wir für jede Mikrobenzelle in einer Darmprobe die Menge an aufgenommenen stabilen Isotopen genau quantifizieren“, erläutert Arno Schintlmeister, der das Gerät an der Fakultät als Operator betreibt.

„Die Invesititonskosten für das NanoSIMS-Gerät waren sehr hoch, und es hat eine Weile gedauert, bis wir dieses hochkomplexe Gerät in unsere Forschung vollständig integrieren konnten. Jetzt werden wir allerdings belohnt: Die Universität Wien hat damit weltweit die erste Studie, bei der man die Funktion einzelner Darmbakterienzellen nicht nur indirekt abzuleiten versucht, sondern wirklich direkt misst“, so Mikrobiologe Michael Wagner. Dieser Forschungsansatz hat großes Potenzial und ist ein Thema, das am Department für mikrobielle Ökologie in den von David Berry und Alexander Loy geleiteten Arbeitsgruppen einen Schwerpunkt in den nächsten Jahren darstellen wird.

Darm-Mikrobiota ist heißes Forschungsthema

Die durch die NanoSIMS-Facility vermessenen Bakterienzellen wurden anschließend mit Hilfe der Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung – kurz FISH genannt – im konfokalen Laser Scanning Mikroskop identifiziert. „Wir konnten eine Reihe von schleimfressenden Mikroorganismen eindeutig identifizieren. Die wichtigsten Player sind Akkermansia muciniphilia und Bacteroides acidifaciens“. erläutert Wagner und weiter: „Die Darm-Mikrobiota ist weltweit ein ganz heißes Forschungsthema, da viele Krankheiten mit der Zusammensetzung unserer Darm-Mikroorganismengemeinschaften zu korrelieren scheinen – von Fettleibigkeit über Autismus bis zu entzündlichen Darmerkrankungen.“

Originalpublikation:
Host-compound foraging intestinal microbiota revealed by single-cell stable isotope probing. Von: David Berry, Bärbel Stecher, Arno Schintlmeister, Jochen Reichert, Sandrine Brugiroux, Birgit Wild, Wolfgang Wanek, Andreas Richter, Isabella Rauch, Thomas Decker, Alexander Loy und Michael Wagner. In: „Proceedings of the National Academy of Sciences“ (PNAS), März 2013.

Externer Link: www.univie.ac.at

Schutz vor neuronalem Zelltod

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Presseinformation der LMU München vom 01.03.2013

LMU-Forscher identifizieren einen neuen Signalweg, über den das Parkin-Gen Nervenzellen vor dem Absterben schützt.

Parkinson ist eine der häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen. Parkinson-Kranke zittern unkontrolliert und verlieren an Beweglichkeit. Die Gesamtzahl der an Parkinson Erkrankten in Deutschland wird auf etwa 300.000 geschätzt. Meist tritt die Krankheit zwischen dem 50. und 70. Lebensjahr auf. Ursache ist das Absterben von Nervenzellen (Neuronen) in einer Region des Mittelhirns, der sogenannten Substantia nigra, die in neuronale Schaltkreise zur Regulation der Motorik eingebunden ist. Bei etwa zehn Prozent der Fälle sind Genmutationen für die Parkinson-Erkrankung verantwortlich, darunter Mutationen im Parkin-Gen.

„Diese Gene sind für Wissenschaftler besonders interessant, da eine Aufklärung ihrer Funktion Einblicke in die Mechanismen der Parkinson-Erkrankung erlaubt“, sagt Dr. Konstanze Winklhofer vom Adolf-Butenandt-Institut der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München und dem Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE). Die Arbeitsgruppe um Konstanze Winklhofer hat bereits in früheren Studien demonstrieren können, dass Parkin Nervenzellen unter Stressbedingungen vor Zelltod schützen kann. Im Rahmen dieser Untersuchungen fiel auf, dass der Funktionsverlust von Parkin Mitochondrien, die die Zellen mit Energie versorgen, beeinträchtigt. Nun konnte die Arbeitsgruppe den Mechanismus dieser Schutzwirkung aufklären.

„Wir haben beobachtet, dass ein bislang nicht bekannter Signalweg für die neuroprotektive Wirkung von Parkin verantwortlich ist“, sagt Konstanze Winklhofer. Bei dem neu entdeckten Signalweg spielt das Protein NEMO eine entscheidende Rolle. Parkin wirkt als Enzym, das an NEMO eine Kette von Ubiquitin-Molekülen anhängt. Dadurch kann NEMO eine nachgeschaltete Abfolge von Signalen aktivieren. Dem Team um Konstanze Winklhofer ist es gelungen, ein Zielgen dieses Signalwegs zu identifizieren, das für das mitochondriale Protein OPA1 kodiert. OPA1 vermittelt die Schutzwirkung von Parkin auf die Mitochondrien und verhindert dadurch neuronalen Zelltod.

„Daraus können sich neue therapeutische Strategien ergeben, die darauf abzielen, diesen Signalweg effizienter zu aktivieren beziehungsweise unter Stressbedingungen die Bildung von OPA1 zu steigern“, sagt Winklhofer.

Der neu identifizierte Signalweg ist möglicherweise auch für andere neurologische Erkrankungen relevant, bei denen ein Verlust von Nervenzellen auftritt. In laufenden Projekten verfolgt das Team um Konstanze Winklhofer, welche weiteren Zielmoleküle dieses Signalweges sich für protektive und therapeutische Interventionen eignen. (nh)

Publikation:
Molecular Cell; online 28. Februar 2013

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Moleküle in Bewegung

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Medieninformation der Universität Innsbruck vom 26.02.2013

Viele Funktionen von Biomolekülen können erst verstanden werden, wenn die Dynamik ihrer Bewegungen unter zellähnlichen Bedingungen bekannt ist. Forscher aus Innsbruck und New York setzen ein hochmodernes Verfahren ein, mit dem sie das dynamische Verhalten einzelner Biomoleküle sehr genau ermitteln können. Es liefert wichtige Einsichten in die Funktionsweise von Genschaltern.

Die DNA hat eine kleine Schwester, die Boten-RNA. Diese transportiert die Erbgut-Information in die Proteinfabriken der Zelle. Im Jahr 2000 entdeckten Wissenschaftler um Ronald R. Breaker, dass die Boten-RNA Kontrollelemente enthalten kann, mit denen diese Moleküle ihr eigenes Gen ein- oder ausschalten können. Bakterien dient dies zum Beispiel dazu, viele Stoffwechselvorgänge zu regulieren. So passen sie ihre Produktionsmaschinerie dem aktuellen Bedarf in einer Zelle an. Diese sogenannten Riboschalter haben auch das Interesse der Arbeitsgruppe um Prof. Ronald Micura am Institut für Organische Chemie und dem Centrum für Molekulare Biowissenschaften der Universität Innsbruck (CMBI) geweckt. Gemeinsam mit Wissenschaftlern des Weill Cornell Medical College in New York nutzen sie eine neue Technik, den Single-Molecule Fluorescence Resonance Energy Transfer (smFRET), um die Dynamik einzelner Riboschalter-Moleküle zu untersuchen. „Die biologische Aktivität eines Molekül erschließt sich selten nur aus der chemischen Struktur“, sagt Ronald Micura. „Entscheidend ist meist, wie sich diese Struktur im Laufe der Zeit ändert, also die Beweglichkeit des Moleküls.“

Innsbrucker Know-how

Die Chemiker um Ronald Micura sind weltweit führend bei der synthetischen Herstellung und Modifizierung von Biomolekülen. Mit üblichen Syntheseverfahren ist es nämlich kaum möglich, mehr als 50 Basenbausteine gezielt zusammenzusetzen. Micura und seine Mitarbeiter haben ein raffiniertes Verfahren entwickelt, mit dem sie chemisch synthetisierte RNA-Teile nach Belieben kombinieren können. Sie greifen dabei auf einen Trick der Natur zurück: Bestimmte Enzyme können RNA-Strangbrüche reparieren, indem sie die Teile durch chemische Bindungen wieder aneinanderfügen. Bietet man diesen Enzymen die künstlich hergestellte RNA an, knüpfen sie auch daraus lange Ketten. So bilden die Chemiker natürliche Riboschalter nach und markieren diese an den entscheidenden Stellen mit Farbstoffen. Im Labor der New Yorker Forscher werden diese oft in monatelanger Feinarbeit hergestellten Riboschalter dann mit Hilfe von Laserlicht analysiert.

Auf größere biomolekulare Maschinen ausweiten

In der amerikanischen Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) haben die Forscher nun Ergebnisse der Untersuchung eines der verbreitetsten Riboschalter-Moleküle veröffentlicht. Diese kommen in Bakterien, Pflanzen und Pilzen vor und regulieren die Biosynthese und den Transport des Metaboliten Thiaminpyrophosphat (TPP), einem Abkömmling von Vitamin B1. Mit dem neuen Verfahren können die Forscher die Bewegungen einzelner Moleküle im Millisekundentakt beobachten. „Wir waren sehr überrascht zu sehen, wie beweglich die beiden Arme des Moleküls sind, welche in der Kristallstruktur eine starre Interaktion implizieren“, erzählt Micura. „Dort liegt auch die Bindetasche des Metaboliten, der an die RNA andockt und das entsprechende Gen abschaltet.“ Möglich ist diese genaue Beobachtung nur durch die selektive Modifizierung der RNA-Moleküle in den Innsbrucker Labors. Micura und sein amerikanischer Partner haben sich das entsprechende Verfahren in der Zwischenzeit auch patentieren lassen und wollen nun in einem gemeinsamen, von der National Science Foundation NSF und dem Wissenschaftsfonds FWF geförderten Projekt ihre Techniken auch auf noch größere Biomoleküle ausweiten. „Wir wollen den gesamten Translations-Mechanismus – als jene Maschinerie, die aus Erbgutinformation Proteine erzeugt – untersuchen“, blickt Micura bereits in die Zukunft.

Publikation:
Folding and ligand recognition of the TPP riboswitch aptamer at single-molecule resolution. Andrea Haller, Roger B. Altman, Marie F. Soulière, Scott C. Blanchard, and Ronald Micura. PNAS 2013. DOI: 10.1073/pnas.1218062110

Externer Link: www.uibk.ac.at