Archiv der Kategorie: Hochschule

Student der Saar-Uni patentiert revolutionäres Getriebe mit über 100 Gängen

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 25.07.2012

Getriebe im Automobilbau haben eine natürliche „Grenze“, so wie sie heute konstruiert sind. Bei maximal acht bis zehn Gängen ist Schluss. Mehr Gänge kann ein herkömmliches Getriebe baubedingt nicht aufweisen. Es wäre ansonsten zu breit und zu schwer, um in Autos verbaut zu werden. Toma Macavei war das nicht genug. Der ehemalige Saarbrücker Informatikstudent hat ein computergesteuertes Getriebe entwickelt, das über 100 Gänge haben kann und etwa die Größe eines DIN-A-4-Blattes hat. Sein Bruder Andrei, derzeit noch Jurastudent an der Saar-Uni, ist als Geschäftsführer einer Firma für die Vermarktung zuständig. Durch Einreichung einer Patentanmeldung ist die Erfindung bereits rechtlich gesichert. Nun suchen sie Partner für den Bau eines Prototyps.

Sein VW Golf war ihm nicht sparsam genug. Das war die Initialzündung für Toma Macavei, das Getriebe des Autos zu optimieren. Denn mehr Gänge bedeuten konstantere Drehzahlen des Motors, und das bedeutet weniger Spritverbrauch. Bisher haben herkömmliche Getriebe für Autos und LKW allerdings einen Haken: Die Gänge liegen auf verschieden großen Zahnrädern nebeneinander. Grund dafür ist die Kupplung der Gänge, also deren Verbindung, die direkt an den Zahnrädern geschieht. Zehn Gänge ergeben also ein breiteres Getriebe als fünf Gänge, vorausgesetzt, alle Bauteile sind ansonsten gleich. Irgendwann ist also Schluss, das Getriebe wird zu breit und zu schwer, wenn weitere Gänge hinzukommen.

„Ich habe zwei Zahnradkammern miteinander kombiniert“, erklärt der 30-jährige Toma Macavei. Das funktioniert ähnlich wie bei Fahrrädern und ihren zwei hintereinander liegenden Zahnkränzen. „Liegen in der vorderen Zahnradkammer beispielsweise fünf Zahnradpaare und in der hinteren drei, ergeben sich daraus also 15 Gänge. Theoretisch können wir damit über 100 Gänge erreichen“, erklärt der ehemalige Saarbrücker Informatik-Student.

Der schwierigste Teil der Konstruktion war bisher die Verbindung beider Getriebeteile. Bisher ist keinem Ingenieur eine Lösung dafür eingefallen, wie die beiden Zahnradkammern miteinander gekuppelt werden können. Toma Macavei hat nun eine computergestützte Lösung erfunden, die innerhalb der Verbindung beider Zahnradkammern liegt. Diese errechnet den optimalen Gang für die jeweilige Geschwindigkeit und schaltet das Getriebe automatisch. Die Zahnradpaare des Getriebes können sehr eng beieinander stehen, denn die Kupplung der Gänge geschieht im Innern dieser kompakten Welle.

„Ein Auto beispielsweise kann so konstant mit sehr niedriger Drehzahl gefahren werden“, erklärt der Bruder des Erfinders, Andrei Macavei. So wird erheblich Kraftstoff gespart, da auch bei hohen Geschwindigkeiten keine hohe Drehzahl erforderlich ist. „Außerdem wird der Motor nicht so stark belastet“, erklärt der angehende Jurist einen weiteren Vorteil.

Das so genannte Finngetriebe von Toma und Andrei funktioniert in zwei Richtungen. Das heißt, es kann nicht nur Kraft vom Motor an die Räder weitergeben. Wenn ein Fahrer bremst, kann das Getriebe auch die Energie von den Rädern aus zurück übertragen. „So kann man beispielsweise Strom gewinnen für einen Elektroantrieb“, erklärt der 29-jährige Andrei. Das sei sehr gut geeignet für Fahrzeuge mit Hybridantrieb, also beispielsweise Benzin- und Elektroantrieb.

Nachdem ihnen attestiert wurde, dass diese Idee noch nicht patentrechtlich geschützt ist, haben Andrei und Toma Macavei ihre Idee mithilfe der Patentverwertungsagentur auf dem Saarbrücker Campus ein Patent entwickelt. Eine Saarbrücker Anwaltskanzlei, die auf Patentrecht spezialisiert ist, hat die Patentanmeldung eingereicht. Nun suchen die beiden umtriebigen Studenten nach Partnern, die sie beim Bau eines bis zu 200.000 Euro teuren Prototyps unterstützen.

Andrei Macaveis Firma Maclions wurde für die Entwicklung des Patents bisher mit 5.000 Euro durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie in dessen Programm KMU Signo gefördert. Andrei möchte sich nach seinem Jura-Examen aufs Patentrecht spezialisieren. Er ist Geschäftsführer der Maclions UG, die Unternehmensberatung anbietet und ihren Sitz im Starterzentrum auf dem Saarbrücker Campus hat. Toma ist selbständiger Erfinder und lebt in Stuttgart.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Wie Elektronen die Kurve kriegen

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 20.07.2012

Physiker entwickeln neuartigen Spin-Transistor

Die Nachfrage nach Technologien, die immer schnellere Rechenprozesse ermöglichen oder die Speicherung immer größerer Datenmengen erlauben, ist riesig. Jedoch gerät die konventionelle Elektronik allmählich an ihre Grenzen: Schnellere Transistoren führen zu extrem hohem Energieverbrauch und enormer Hitzeproduktion. Forscher auf der ganzen Welt sind deshalb auf der Suche nach neuen Methoden, die die Elektronik revolutionieren könnten. Große Hoffnungen ruhen auf der Spinelektronik – der Nutzung der Spineigenschaften von Elektronen. Um diese aber für die Datenverarbeitung oder Datensicherung zu nutzen, muss man den Spin gezielt kontrollieren oder manipulieren können.

Einem Forscherteam der Universität Regensburg um Prof. Dr. Dieter Weiss vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik und Prof. Dr. Klaus Richter vom Institut für Theoretische Physik ist nun, zusammen mit Kollegen der Polnischen Akademie der Wissenschaft in Warschau, ein wichtiger Schritt gelungen. Sie haben ein neuartiges Spin-Transistorprinzip entwickelt, das es erlaubt, die Spin-Polarisation des elektrischen Stroms „an“ und „aus“ zu schalten.

In konventionellen Transistoren wird der Stromfluss durch ein elektrisches Feld gesteuert bzw. an- oder abgeschaltet. Dem gegenüber steuerten die Regensburger Forscher in ihrem transistorähnlichen Bauelement – bestehend aus einer Halbleiter-Schichtstruktur mit aufgeprägten ferromagnetischen Streifen – den Stromfluss dadurch, dass sie die Spineigenschaften der Elektronen manipulierten. Der Elektronenspin kann gewissermaßen als Pirouette des Elementarteilchens um die eigene Achse verstanden werden, welches mit einem magnetischen Moment verknüpft ist. Damit weist das Elektron magnetische Eigenschaften ähnlich einer winzigen Kompassnadel auf. Allerdings orientiert sich diese quantenmechanische Version einer Kompassnadel entweder parallel (spin-up) oder anti-parallel (spin-down) zu einem extern angelegten Magnetfeld.

Die Regensburger Physiker können mit ihrem neuen Verfahren nicht nur den elektrischen Stromfluss in ihrem transistorähnlichen Bauelement steuern, sondern auch die Spin-Polarisation des Elektronenflusses – also das Verhältnis zwischen „spin-up-Elektronen“ und „spin-down-Elektronen“ – kontrollieren und verändern. Dafür nutzten die Wissenschaftler ein extern angelegtes Magnetfeld. Im „An-Modus“ bewegen sich die Elektronen ungehindert in der Struktur, während ihre Spinausrichtung einem sich räumlich verändernden magnetischen Streufeld folgt, das von den ferromagnetischen Streifen ausgeht. Im „Aus-Modus“ wird das Magnetfeld so eingestellt, dass die Spins nicht mehr dem rotierenden Streufeld folgen können und auf eine energetisch verbotene Bahn mit entgegen gesetztem Spin „ausweichen“ müssen – der Strom wird reduziert.

Der zugrundeliegende quantenmechanische Effekt lässt sich am Beispiel eines Autos verdeutlichen, das sich um eine scharfe Kurve herum bewegt. Sofern der Wagen langsam genug fährt, bleibt er auf der Straße und kann so die Kurve nehmen („An-Modus“). Wenn der Wagen zu schnell ist, dreht er sich und kann die Fahrt auf der Straße nicht fortsetzen („Aus-Modus“).

Die Untersuchungen der Regensburger Forscher sind heute in der renommierten Fachzeitschrift „Science“ erschienen (DOI: 10.1126/science.1221350). (Alexander Schlaak)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Neuer Ansatz gegen Netzhautdegeneration

Veröffentlicht am von

Presseinformation der LMU München vom 18.07.2012

Die erbliche Augenkrankheit Retinitis pigmentosa führt häufig zur Erblindung, da Sinneszellen der Netzhaut degenerieren. Eine neue Gentherapie verspricht Hoffnung: Bei Mäusen war eine deutliche Besserung langfristig nachweisbar.

In Deutschland leiden etwa 20 000 Menschen unter Retinitis pigmentosa (RP). Die Krankheit beginnt meist im Jugendalter mit Nachtblindheit. Im weiteren Krankheitsverlauf engt sich das Gesichtsfeld immer weiter ein, oft werden die Betroffenen blind. Ursache der RP ist die Degeneration der Fotorezeptoren der Netzhaut: zunächst der Stäbchen, die dem Sehen bei geringer Helligkeit dienen und anschließend der sehr lichtempfindlichen Zapfen, die für die Farbwahrnehmung notwendig sind.

Problemfall Fotorezeptor

Mutationen in über 50 Genen können die Krankheit auslösen. Für bestimmte Formen der Erkrankung existieren bereits Erfolg versprechende Ansätze für Gentherapien. „Es gibt aber bisher keine effiziente Behandlungsmöglichkeit bei direkt betroffenen Fotorezeptoren, was die häufigsten Ursache ist“, sagt der LMU-Pharmakologe Stylianos Michalakis, der nun gemeinsam mit der Biologin Regine Mühlfriedel von der Augenklinik der Universität Tübingen eine Gentherapie bei Mutationen bestimmter Ionenkanäle der Stäbchen entwickelte.

„Die sogenannten CNG-Kationenkanäle in der Plasmamembran der Stäbchen spielen eine entscheidende Rolle für die Wahrnehmung von Licht“ erklärt Mühlfriedel. Aufgebaut sind die Kanäle aus vier Untereinheiten, eine davon ist das große Transmembranprotein CNGB1. Mäuse, bei denen das CNGB1-Gen deaktiviert wurde, zeigen einen ähnlichen Krankheitsverlauf wie menschliche Patienten und werden im Alter von etwa einem Jahr blind.

Therapie mit Langzeiteffekt

Durch den Einsatz sogenannter AAV-Gentransfervektoren gelang es den Wissenschaftlern, ein therapeutisches Gen in die Retina von Mäusen mit defektem CNGB1-Gen einzuschleusen –  und tatsächlich konnte dadurch die Produktion von CNGB1 wieder aktiviert werden und die Stäbchen reagierten wieder auf Lichtreize. „Besonders wichtig ist, dass das Gehirn der therapierten Mäuse die neuen Informationen auch korrekt verarbeitet, was wir mit einem Sehtest nachweisen konnten“, betont Michalakis.

Neben seiner Effizienz zeichnet sich der neue Ansatz auch durch seine lang anhaltende Wirkung aus: Auch ein Jahr nach Therapiebeginn war der positive Effekt im behandelten Teil der Netzhaut noch deutlich nachzuweisen. Die Ergebnisse der Münchener und Tübinger Gemeinschaftsarbeit sind daher ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zur Entwicklung und klinischen Anwendung einer Gentherapie degenerativer Netzhauterkrankungen auch beim Menschen. (göd)

Publikation:
Hum. Mol. Gen., 16. Juli 2012

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Neue Technologie ermöglicht tiefen Blick in Proteinstrukturen

Veröffentlicht am von

Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.07.2012

Proteine können ihre biologischen Aufgaben nur dann korrekt erfüllen, wenn sie eine stabile räumliche Struktur einnehmen. Dabei festigen unzählige Wasserstoffbrücken die Proteingebilde. Mit einem neuartigen Messverfahren, der Kernmagnetresonanzspektroskopie (NMR) unter hohem Druck, ist es nun Prof. Stephan Grzesiek und Dr. Lydia Nisius vom Biozentrum der Universität Basel gelungen, einen bisher einmaligen Einblick in das Netzwerk von Wasserstoffbrücken und deren Bedeutung für die Proteinstabilität zu gewinnen. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal «Nature Chemistry» veröffentlicht.

Proteine bestehen aus einer Abfolge von Aminosäuren und übernehmen wichtige physiologische Funktionen, wie beispielsweise den Transport von Stoffwechselprodukten. Damit die Proteine ihre physiologischen Aufgaben in der Zelle wahrnehmen können, müssen sie durch Faltungen ihrer linearen Aminosäurekette eine stabile dreidimensionale Struktur bilden. Diese räumliche Anordnung wird unter anderem durch ein Netzwerk aus Wasserstoffbrücken bestimmt. Bisher war allerdings unklar, welche Wasserstoffbrücken genau für die Stabilität der Struktur von Bedeutung sind. Mit einer kürzlich entwickelten NMR-Methode unter Einsatz einer neuen Hochdruckzelle gelang es Prof. Stephan Grzesiek und Dr. Lydia Nisius nun erstmals, die Stabilität von Wasserstoffbrücken des Proteins Ubiquitin vollständig zu charakterisieren.

Stabile Wasserstoffbrücken über weite Distanzen

Die Stabilität von thermodynamischen Systemen, wie es Proteine sind, kann durch Druck- und Temperaturveränderungen analysiert werden. Am Modellprotein Ubiquitin untersuchten die Wissenschaftler wie jede einzelne der 31 Wasserstoffbrücken zur Stabilität der Proteinstruktur beiträgt. Dafür wurde jede Wasserstoffbrücke bei sich ändernden Druck- und Temperaturverhältnissen genau ausgemessen. Durch die neue Druckzelle war es möglich, das Protein im NMR-Gerät einem Druck von bis zu 2’500 bar auszusetzen. Dies entspricht dem Schweredruck einer Wassersäule von 25 Km Höhe. Dabei erwiesen sich Wasserstoffbrücken, die in der Sequenz benachbarte Aminosäuren verbinden, als besonders stabil, während Brücken zu entfernten Aminosäuren generell instabiler waren.

Erstaunlicherweise zeigten sich jedoch Ausnahmen zur Regel: Wasserstoffbrücken, die wichtige Stellen des Ubiquitins miteinander verbinden, können gleichzeitig sehr grosse Entfernungen überspannen und trotzdem extrem stabil sein. Dies betraf vor allem den Teil der Struktur, mit der Ubiquitin an andere Proteine bindet. Ubiquitin ist in der Zelle unter anderem für die Qualitätskontrolle der Proteine zuständig. Indem es sich an fehlerhaft gefaltete Proteine anhängt, markiert es diese für den Abbau. Die spezifische Stabilisierung der Struktur an dieser Bindungsstelle ist demnach sehr wichtig, um die Proteinstruktur unter mechanischem Stress in der Zelle zu bewahren und damit seine korrekte Funktion zu gewährleisten.

Zukunftsweisende Hochdruck-NMR Technologie

Mit der genauen Charakterisierung von Ubiquitin durch Hochdruck-NMR konnten Nisius und Grzesiek nicht nur die hohe thermodynamische Stabilität dieses Proteins erklären, sondern zudem die Teile der Struktur identifizieren, die dafür verantwortlich sind. Die Arbeit gibt Einblicke in die vielseitigen und sich ständig erweiternden Möglichkeiten der NMR-Spektroskopie. Mit dem Einsatz dieser neuartigen Technologie können über die reinen Strukturinformationen hinaus auch Erkenntnisse zu den thermodynamischen Eigenschaften von Biomolekülen und so zum Verständnis ihrer Funktion gewonnen werden.

Originalbeitrag:
Lydia Nisius and Stephan Grzesiek
Key stabilizing elements of protein structure identified through pressure and temperature perturbation of its hydrogen bond network
Nature Chemistry, published online 8 Jul 2012 | doi:10.1038/nchem.1396

Externer Link: www.unibas.ch

Mensch und Maschine Hand in Hand

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der Universität Passau vom 16.07.2012

Roboter, die sich frei durch den Raum bewegen, einfach steuern lassen und Menschen mit Behinderung den Wiedereinstieg ins Arbeitsleben ermöglichen: Ein bayernweites Forschungsprojekt will aus Maschinen Kollegen machen, Wissenschaftler der Uni Passau entwickeln dafür neue Ansätze zur millimetergenauen Positionsbestimmung in geschlossenen Räumen.

Ulrich Sommer hat einen pragmatischen Traum: Der Fachreferent für Arbeits- und Tagesstruktur bei der Diakonie Neuendettelsau wünscht sich Arbeitsplätze ohne unüberwindbare Hürden für Beschäftigte mit Behinderung – wie etwa Gegenstände, die sie nicht heben und Geräte, die sie nicht bedienen können oder viele verschiedene Abläufe, die sie überfordern. Dafür sollen Roboter sorgen, die Teil-Aufgaben erledigen – und sich im Gegensatz zu gängigen Industrielösungen frei durch den Raum bewegen, mehrere Arbeitsschritte beherrschen, Hindernisse selbstständig erkennen und durch einen Zeigestift dirigiert werden. Informatiker der Universität Passau arbeiten gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Erlangen-Nürnberg und Würzburg und dem Unternehmen Reis Robotics im Projekt AsProMed an einem System, das diese technischen Herausforderungen nutzerfreundlich lösen will. Um die Träume vieler Beschäftigter aus den Werkstätten für behinderte Menschen von einer spannenden Tätigkeit zu erfüllen, müssen viele einzelne Technologien kombiniert werden. „Mensch und Maschine arbeiten Hand in Hand. Wir müssen also die Sicherheit der Arbeiter im direkten Kontakt mit dem Roboter garantieren können. Das umfasst die Integration neuartiger Sensorsysteme, Kollisionserkennung und -vermeidung sowie neue Funktionalitäten im Bereich ‚Augmented Reality‘, die Maschinendaten und Abläufe auf einer Benutzeroberfläche verständlich machen“, erklärt Dr. Manfred Dresselhaus, Koordinator für Forschungsprojekte bei Reis Robotics.

Damit alles klappt, muss der Roboter zunächst genau wissen, wo er steht, wo er hin soll und welche Hindernisse im Weg sind. Im Fall der Diakonie Neuendettelsau soll er die Beschäftigten bei der Produktion von maßgefertigten Industriepaletten unterstützen. „Der Mitarbeiter benutzt einen Stift als Steuergerät – die Maschine bewegt sich zur Stelle, auf die er ihn richtet, oder jagt genau dort einen Nagel ins Holz. Dann kann auch jemand im Rollstuhl oder mit nur einem Arm in diesem Bereich arbeiten – wenn der Roboter die Anweisungen millimetergenau umsetzt“, erklärt Gerald Pirkl, Mitarbeiter am Lehrstuhl für Informatik mit Schwerpunkt Eingebettete Systeme. Darin liegt die besondere Herausforderung: Satellitengestützte Methoden wie z.B. GPS stehen in Gebäuden nicht zur Verfügung. Andere Techniken auf Basis von Ultraschall oder WLAN sind für das Anwendungsgebiet zu ungenau und störanfällig, professionelle Systeme auf Basis von Elektromagnetischen Feldern bieten zwar ausreichende Genauigkeit, sind aber für viele Anwendungsgebiete zu teuer und unflexibel. „Wir forschen an einem industriereifen Verfahren, dessen Herstellungskosten so niedrig sind, dass Anwender wie soziale Betriebe sich die Technik leisten können“, sagt Pirkl. Lediglich mit Draht und Prozessoren haben er und seine Kollegen einen Sender entwickelt, der ähnlich wie GPS funktioniert: Kleine Spulen erzeugen ein Magnetfeld, das ein Empfänger – der Eingabestift des Diakoniemitarbeiters – misst und in Abhängigkeit von den Signalstärken zur Berechnung der eigenen Position und Ausrichtung nutzt.

Die Modellierung der Signale und die Fähigkeit von Hard- und Software, Störquellen herauszurechnen, entscheiden über die Genauigkeit des Systems. Ab März 2013 soll es in der Praxis der Diakonie-Werkstatt in Polsingen erprobt werden. „Das bringt unseren Mitarbeitern nicht nur Motivation, weil sie erleben, wie sie eine Einschränkung überwinden können. Es gibt uns auch die Möglichkeit, auf einem strammen Markt die Paletten-Stückzahlen zu erhöhen und noch konkurrenzfähiger zu werden“, erklärt Diakonie-Referent Sommer.

„Wir entwickeln eine Grundlagentechnik, die auch in anderen Bereichen genutzt werden kann“, sagt Uni-Mitarbeiter Gerald Pirkl. Reis Robotics schweben etwa langfristig medizinnahe Anwendungen von Assistenzsystemen vor. Pirkl denkt da häuslicher – an Anwendungen des ‚Assisted Living‘, also Geräte, die sich abschalten, sobald der Benutzer sich von ihnen zu weit und zu lange entfernt oder an Supermärkte, deren Waren entsprechend der Laufwege von Kunden platziert werden. Und dort womöglich auf Paletten der Diakonie Neuendettelsau angeliefert wurden.

Das Forschungsprojekt AsProMed Das Forschungsprojekt „Assistenzsysteme für die Produktion und für medizinnahe Anwendungen“ wird von der Europäischen Union aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) und vom Freistaat Bayern kofinanziert. Es hat eine Laufzeit von drei Jahren (bis 2013). (Steffen Becker)

Externer Link: www.uni-passau.de