Archiv der Kategorie: Hochschule

Zug um Zug – neues Prüfverfahren entwickelt

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Presseaussendung der TU Wien vom 16.05.2022

Forschende der TU Wien haben ein Zugprüfverfahren entwickelt, das für die mechanische Zugprüfung von Mikro- und Nanofasern geeignet ist. Das Besondere: Die Proben können reversibel an den Kraftsensor an- und abgekoppelt werden.

Möchte man die Steifigkeit oder Zugfestigkeit von Fasern im Nano- bis Mikrobereich testen, ist dies meist sehr aufwändig, denn die Proben müssen an beiden Seiten mit Klebstoff fixiert werden. Einerseits kostet die Trocknung des Klebstoffes Zeit, andererseits lässt sich der Sensor, an den die Faser angeklebt wird, nicht wiederverwenden.

Den TU-Forschern Mathis Nalbach, Philipp Thurner und Georg Schitter ist es nun gelungen, ein Testsystem zu entwickeln, das ebendiese Hürden überwindet. Das Funktionsprinzip ist wie folgt: Eine magnetische Kugel, die an die Nanofaser angebracht wird, lässt sich mit einer magnetischen Pinzette aufgreifen. So kann die Kugel in die an einen Kraftsensor angebrachten Gabel eingelegt und dadurch an den Sensor angekoppelt werden. Da sich die magnetische Kugel mittels der magnetischen Pinzette auch wieder aus der Gabel entfernen lässt, kann man umgehend eine weitere Nanofaser aufgreifen. Dadurch wird der Probendurchsatz signifikant erhöht. Das zum Patent angemeldete Zugprüfgerät „NanoTens“ stellten die Forschenden jüngst in der Zeitschrift „Review of Scientific Instruments“ vor.

An die Realbedingungen angepasst

Während man mit dem Rasterkraftmikroskop die mechanischen Eigenschaften einer Faser durch eine Nano-Eindringprüfung untersuchen kann, ermöglicht der NanoTens die Materialprüfung unter der für Fasern bedeutsameren mechanischen Belastung, der Zugbelastung. Philipp Thurner vom Forschungsbereich Biomechanik erklärt dies wie folgt: „Man kann sich die Vorrichtung wie einen mikroskopischen Gabelstapler vorstellen. Die magnetische Kugel, die an die Faser angeklebt wird, wird in die Gabel des Gabelstaplers eingelegt. Durch eine Auf- bzw. Abbewegung der Gabel kann man die Faser nun unter Zugbelastung testen. Diese Belastungsart ist vor allem für biologische Fasern wie z. B. Kollagenfibrillen relevant. Diese werden physiologisch hauptsächlich unter Zug belastet, und daher sind die mechanischen Eigenschaften unter eben dieser Belastung besonders relevant.“

Die Biomechaniker Nalbach und Thurner untersuchen zumeist natürliche Fasern wie Kollagen. Da deren mechanischen Eigenschaften stark von äußeren Bedingungen abhängen, ist es wichtig, diese auch bei der Zugprüfung zu berücksichtigen. „Dies gelingt uns, da mit dem NanoTens Zugversuche in unterschiedlichen Medien durchgeführt werden können. Eine trockene Kollagenfaser ist beispielsweise viel spröder und steifer als eine feuchte. Auch nimmt ihr Durchmesser signifikant ab, wenn sie ausgetrocknet wird“, sagt Mathis Nalbach, Erstautor der Studie.

Qualität und Quantität steigen

Den Forschenden gelingt es mit ihrer Methode nicht nur, physiologische Bedingungen zu simulieren, auch gewinnen die mit NanoTens generierten Ergebnisse an Validität. Denn um aussagekräftige Ergebnisse über biologische Materialien wie Kollagenfibrillen zu erhalten, bedarf es einer Vielzahl von Messungen. „Herkömmliche Verfahren erlauben uns nur, ein bis zwei Proben pro Woche zu untersuchen. Das macht es quasi unmöglich, statistisch aussagekräftige Studien durchzuführen“, schildert Nalbach das Problem. Philipp Thurner ergänzt: „Die neue Methode erlaubt ein schnelles An- und Abkoppeln der Fasern. Dadurch – und da der Sensor wiederverwendet wird – können wir nicht nur die Anzahl der Zugversuche auf bis zu 50 Messungen pro Woche, sondern auch die Präzision der Messung erhöhen.“

Die Zugversuche können – je nach Wahl – über einen großen Kraftbereich und zudem über eine Regelung auch kraftkontrolliert durchgeführt werden. Dies ist wichtig, da Zugprüfverfahren normalerweise davon ausgehen, dass das Material linear elastische Eigenschaften hat. Bei biologischen Geweben, wie beispielsweise Kollagenfibrillen, ist das jedoch nicht der Fall: Sie sind viskoelastisch. Durch kraftkontrollierte Zugversuche wird die Untersuchung eben dieser Viskoelastizität ermöglicht.

Von der Erfindung zum Produkt

NanoTens wurde bereits von der TU Wien international zum Patent angemeldet. Auch die Machbarkeit der Methode konnte nachgewiesen werden (TRL 6), wie in der Studie von Nalbach et al. nachzulesen ist. „Der nächste Schritt wäre, sich mit industriellen Partnern zusammenzuschließen. Wir hoffen, mit Hilfe des Forschungs- und Transfersupports eine_n Lizenznehmer_in zu finden. Wir sind an Kooperationen mit der Industrie zu diesem Thema interessiert“, sagt Mathis Nalbach. NanoTens ist dabei so konstruiert, dass es sich generell in jedes Eindrucksmessgerät oder auch Rasterkraftmikroskop integrieren lässt. Neben der Materialwissenschaft findet die Zugprüfung auch – unter anderem – in den Biowissenschaften, der Halbleitertechnik sowie der Elektronik Anwendung. (Sarah Link)

Externer Link: www.tuwien.at

Quanten-Einbahnstrasse in Nanodrähten aus topologischen Isolatoren

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.05.2022

Nanodrähte aus einem topologischen Isolator könnten dazu beitragen, hochstabile Informationseinheiten für künftige Quantencomputer zu entwickeln. In neuen Forschungsresultaten zu solchen Bauelementen erkennen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen wichtigen Schritt, um das Potenzial dieser Technologie ausschöpfen zu können.

Nanodrähte, die mehr als 100-mal dünner sind als ein menschliches Haar, können wie eine Einbahnstrasse für Elektronen wirken, wenn sie aus einem besonderen Material bestehen, das als topologischer Isolator bezeichnet wird. Das berichtet ein internationales Team von Forschenden in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology».

Die Entdeckung ermöglicht neue technologische Anwendungen von Bauelementen aus topologischen Isolatoren und ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu sogenannten topologischen Quantenbits (Qubits). Von diesen erhofft man sich, dass sie Informationen für einen Quantencomputer robust kodieren können.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, haben die Forschungsgruppen von Prof. Dr. Jelena Klinovaja und Prof. Dr. Daniel Loss an der Universität Basel eng mit Forschenden um Prof. Dr. Yoichi Ando an der Universität Köln zusammengearbeitet.

Aussen leitend, innen nicht

Topologische Isolatoren sind Materialien, bei denen eine Kombination aus Quantenmechanik und dem mathematischen Konzept der Topologie dazu führt, dass sie elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Topologische Isolatoren gelten als vielversprechende Kandidaten für künftige Technologien und für Anwendungen im Quantencomputing.

Die Forschenden konnten zeigen, dass unter den richtigen Umständen elektrische Ströme leichter in die eine als in die andere Richtung fliessen können – ein Vorgang, der als Gleichrichtung bezeichnet wird. Die Gleichrichtung bietet ein breites Spektrum an Anwendungen und bildet die Grundlage der meisten drahtlosen Technologien.

Gleichrichter, die beispielsweise in Smartphones zu finden sind, bestehen heute aus Halbleiterdioden. Im Unterschied dazu entsteht der Gleichrichtereffekt in den Nanodrähten aus topologischen Isolatoren durch quantenmechanische Effekte und ist ausserordentlich gut steuerbar.

«Quantenmechanische Gleichrichtereffekte entstehen für gewöhnlich durch eine sogenannte Spin-Bahn-Kopplung, die eine Mischung aus Quantenmechanik und Einsteins Relativitätstheorie ist. Diese seltsame Mischung führt normalerweise nur zu winzigen Gleichrichtereffekten», erklärt Erstautor Dr. Henry Legg, Georg H. Endress-Postdoktorand an der Universität Basel.

«Das Tolle an den Nanodrähten aus topologischen Isolatoren ist, dass wir im Wesentlichen die gleiche Physik künstlich erzeugen können, allerdings in einem viel grösseren Massstab», ergänzt Legg. «Dies führt zu einem Gleichrichtereffekt, der im Vergleich zu anderen Materialien wirklich riesig ist. Das ist auch einer der Aspekte, die topologische Isolatoren für Anwendungen im Quantencomputing so interessant machen.»

Robuste Quanteninformation

Quantencomputer versprechen eine noch nie dagewesene Rechenleistung, sind aber sehr anfällig für kleinste Störungen von aussen. Ein Vorschlag, um die empfindlichen Einheiten der Quanteninformation – die Qubits – zu schützen, sind topologische Qubits. Von ihnen wird erwartet, dass sie weitaus stabiler gegenüber äusseren Einflüssen sind. Dieser Schutz ergibt sich auch aus der Mathematik der Topologie, die den Eigenschaften der topologischen Isolatoren zugrunde liegt.

«Topologische Isolatoren gelten schon seit Langem als geeignete Kandidaten für topologische Quantencomputer», erklärt Jelena Klinovaja, die vor kurzem einen ERC Consolidator Grant für ihre Forschung zu topologischer Quantenmaterie erhalten hat. «Damit die Herstellung topologischer Qubits nun vorankommt, ist es entscheidend, dass wir Bauelemente aus topologischen Isolatoren genauestens kontrollieren können.»

«In unserer Studie haben wir nicht nur einen einzigartigen und sehr grossen Quanteneffekt entdeckt, sondern wir zeigen auch, dass wir sehr gut verstehen, was in diesen Systemen passiert. Es scheint, dass alle Schlüsseleigenschaften von topologischen Isolatoren vorhanden sind, um auf dem Weg zur Herstellung von topologischen Qubits weiterzukommen», kommentiert Klinovaja.

Originalpublikation:
Henry F. Legg et al.
Giant magnetochiral anisotropy from quantum confined surface states of topological insulator nanowires
Nature Nanotechnology (2022); doi: 10.1038/s41565-022-01124-1

Externer Link: www.unibas.ch

Bioinformatiker entschlüsseln Protein, das abnehmende kognitive Leistung im Alter zurückdrehen kann

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 11.05.2022

Im hohen Alter lässt die Gedächtnisleistung bei den meisten Menschen nach, oft so stark, dass dies ihren Alltag massiv beeinflusst. Bioinformatiker der Universität des Saarlandes haben nun in einer gemeinsamen Studie mit der Stanford University ein Protein mit verjüngender Wirkung identifiziert, das den Prozess der abnehmenden Hirnleistung im Alter beeinflusst. Ihre Forschungsergebnisse wurden heute online in der Fachpublikation „Nature“ veröffentlicht. Auch die New York Times hat berichtet.

Es gibt vielfältige Ursachen für altersbedingte Krankheiten – und oft führen diese zu erheblichen Einschränkungen im Alltag Betroffener. Eine der meistverbreiteten Symptome ist eine schleichend abnehmende kognitive Kapazität, die später oft gepaart mit Altersdemenz auftritt. Forscher der Universität des Saarlandes interessieren sich daher für die Frage, welche neuen Stoffe uns neben einer gesunden Lebensweise dabei helfen können, so lange wie möglich fit im Gehirn zu bleiben. Sie suchen zudem nach Wirkstoffen, die Beschwerden bei bereits betroffenen Patienten wieder heilen können.

In einer Studie zusammen mit Forschern der Gruppe von Professor Tony Wyss-Coray aus dem Bereich Neurologie der Stanford University in den USA, die nun im renommierten Fachmagazin „Nature“ publiziert wurde, beschreiben die Bioinformatiker Andreas Keller und Fabian Kern die Entdeckung eines solchen physiologisch wirksamen Stoffes. Andreas Keller ist Professor für Klinische Bioinformatik der Universität des Saarlandes, sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Fabian Kern forscht seit kurzem eigenständig am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS). Zusammen haben sie wesentlich dazu beigetragen, den eigentlichen Mechanismus hinter der Wirkweise des sogenannten Signalproteins Fgf17 zu entschlüsseln. Dieses entstammt einer Familie von zellulären Wachstums- und Entwicklungsfaktoren. Das in der Gehirnflüssigkeit (auch bekannt als Cerebrospinalflüssigkeit – CSF) lösliche Protein dockt spezifisch an entsprechende Rezeptoren der Gehirnzellen, insbesondere den sogenannten Oligodendrozyten aus der Familie der Gliazellen, an. Diese sind für die elektrische Signalleitung unserer Neuronen unentbehrlich, können jedoch mit zunehmendem Alter an Anzahl und Funktion verlieren. Eine der bekanntesten Autoimmunkrankheiten, die unmittelbar auf einen Verlust der Oligodendrozytenfunktion zurückzuführen ist, ist die Multiple Sklerose. CSF enthält ein komplexes Gemisch an vielzähligen Nährstoffen, welches die Zellen im zentralen Nervensystem versorgt, sowie diverse Proteine mit nach wie vor unbekannter Funktionsweise.

Das in der Studie beschriebene, natürlich vorkommende Protein führt zu einer teilweisen Umkehrung der beobachteten Alterungsprozesse durch eine Reaktivierung von Oligodendrozyten und darüber hinaus zu einer signifikanten Verbesserung der kognitiven Schwächen. Dies konnte nachgewiesen werden, indem Rückenmarksflüssigkeit von jungen Labormäusen an ihre älteren Artgenossen per Transfusion übertragen wurde. Die Saarbrücker Bioinformatiker haben die an diesem konkreten molekularen Prozess beteiligten Transkriptionsfaktoren und Gene genauer beschrieben. Bis zu einer möglichen Therapie im Menschen sind jedoch noch viele weitere Fragen zu klären. Zum Einstieg ging es erst einmal darum, geeignete Wirkstoffkandidaten zu identifizieren, was sich in der Regel als überaus schwierig und aufwändig erweist. Die Bioinformatiker konnten in diesem Fall eine solche Entdeckung mit ihrem methodischen Wissen, wie unter anderem in der Hochdurchsatzsequenzierung, erst möglich machen.

„Fachübergreifende Forschung dieser Art mit ausgesuchter Nähe und Potential zur klinischen Nutzung gehören zu den Zielen der Universität im Bereich NanoBioMed. Damit werden richtungweisende Innovationen vom Campus in die ganze Welt getragen“, sagt Professor Andreas Keller mit Blick auf die nun im Nature-Magazin veröffentlichte Studie. Die Printausgabe des Artikels erscheint in der Ausgabe vom 19. Mai.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Baumaschinen mit Hybridantrieb: Spritsparend baggern

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 28.04.2022

Rückgewinnung von Bewegungsenergie des Baggerarms steigert Effizienz und spart Kraftstoff

Rohstoffe und Energie verteuern sich drastisch – und damit auch das Bauen. Neben dem Klimawandel sind die hohen Kosten ein weiterer Grund, Treibstoff bei Baumaschinen einzusparen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben Möglichkeiten für einen effizienteren Betrieb am Beispiel eines Hydraulikbaggers mit Hybridantrieb untersucht. Dabei haben sie Einsparpotenziale von rund zehn Prozent gefunden. Eine spezielle Software zur Steuerung des Einsatzes unterschiedlicher Antriebe könnte die Effizienz weiter steigern.

Bei Autos sind Hybridantriebe, also die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien und Energiespeicher, längst gebräuchlich, etwa die Verbindung von Benzin- oder Diesel- mit Elektroantrieb. Baumaschinen verfügen ohnehin meist über mehrere Antriebe, wie etwa Fahrantrieb, Schwenkantrieb und Arbeitsantrieb, die jeweils hybridisiert werden könnten. Allerdings kommt in den meisten Baggern die Energie für sämtliche Antriebe vom Dieselmotor. „Wir haben jetzt unterschiedliche Hybridisierungsmaßnahmen auf ihr Potenzial zur Effizienzsteigerung hin untersucht“, sagt Niklas Bargen vom Institut für Fahrzeugsystemtechnik des KIT. Das Ergebnis: „Der elektrische Betrieb des Schwenkwerks eines Hydraulikbaggers, also des Motors zur seitlichen Drehung, bringt beispielsweise eine Effizienzsteigerung beim Laden von Erdreich oder Schutt auf einen Lastwagen um elf Prozent und eine Kraftstoffeinsparung von rund acht Prozent.“ Mit zusätzlicher Rückgewinnung von Bewegungsenergie beim Absenken des Baggerarms – ähnlich wie bei regenerativen Bremssystemen in E-Autos – seien sogar Effizienzsteigerungen von insgesamt 12,5 Prozent und neun Prozent weniger Spritverbrauch zu erwarten, meint Bargen. „Wir gehen davon aus, dass sogar noch weiteres Potenzial vorhanden ist. Zum Beispiel durch eine Software, die bedarfsgerecht und nach Effizienzgesichtspunkten entscheidet, mit welchem Antrieb die unterschiedlichen Funktionen des Baggers gerade am besten betrieben werden sollen.“

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher vom Institutsteil Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima) einen Bagger mit zahlreichen Sensoren ausgestattet und die 15 Tonnen schwere Maschine so während hundert Tagen bei der Arbeit auf unterschiedlichen Baustellen genau überwacht. „Anschließend haben wir verschiedene Varianten der Hybridisierung am Rechner simuliert und ermittelt, welches Potenzial zur Effizienzsteigerung sie im realen Betrieb haben würden“, erläutert Bargen.

Hybridisierung als Brückentechnologie

In Anbetracht des geschätzten Verbrauchs eines mittelschweren Baggers von 100 000 Litern Diesel über seinen gesamten Lebenszyklus, steckt in den Hybridantrieben für Baumaschinen ein erhebliches Energiesparpotenzial. „Dennoch sehen wir die Hybridisierung mehr als Brückentechnologie auf dem Weg zur vollständigen Elektrifizierung von Baumaschinen, die wegen des hohen Energiebedarfs der Maschinen und mangelnder Speichertechnologie noch vor großen Hürden steht.“

Am Forschungsprojekt war die Firma Stoba E-Systems GmbH beteiligt. Es wurde vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus des Landes Baden-Württemberg mit 300 000 Euro gefördert. (mex)

Externer Link: www.kit.edu

Neuer Drohnentyp erlaubt weltweit erstes Echtzeit-Tracking von Personen in dichter Bewaldung

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Pressemeldung der JKU Linz vom 25.04.2022

AOS ist ein spezielles Bildgebungsverfahren, bei dem bei Drohnen-Luftaufnahmen die Verdeckung (z.B. ein Blätterdach im Wald) in Echtzeit weggerechnet werden kann. Nun wurde das System neuerlich verbessert. Beim AOS werden aus der Luft (z.B. mittels Kamera-Drohne) mehrere Einzelaufnahmen von unterschiedlichen Positionen aufgenommen und rechnerisch so kombiniert, dass verdeckende Bewaldung aus dem Bildmaterial von der Software entfernt wird.

Potenzielle Anwendungen findet AOS z.B. in der Wildbeobachtungen, für Such- und Rettungseinsätze von vermissten Personen in Waldgebieten oder für das Aufspüren von Waldbränden und Glutnestern. Bisher gab es ein Problem: Es war nur für unbewegte Objekte verwendbar. Sowohl vermisste Menschen als auch Wild neigen natürlich dazu, sich zu bewegen. Bisher war es mit keiner Technologie möglich, solche bewegliche Objekte zu erkennen oder gar zu verfolgen – auch mit AOS nicht, da der sequentielle Aufnahmeprozess der Einzelbilder, die zum Wegrechnen des Waldes nötig waren, deutlich mehr Zeit in Anspruch nahm als die Bewegung einer Person, Tiers, oder Fahrzeug. Vor allem sich schnell bewegende Objekte gehen – ähnlich wie bei Langzeitbelichtungen – in den Ergebnisbildern durch Bewegungsunschärfe unter.

Ein neuer Drohnenprototyp, der in Zusammenarbeit der JKU Institute für Computergrafik (Leitung: Prof. Oliver Bimber) und Konstruktiven Leichtbau (Leitung: Prof. Martin Schagerl) entwickelt wurde, stellt nun weltweit die allererste Möglichkeit dar, bewegte Objekte unter dichter Bewaldung zu finden und in Echtzeit zu verfolgen. Auch wenn es seit einigen Jahren internationale Anstrengungen in diese Richtung gibt, galt „through-foilage tracking“ unter realistischen Bedingungen bisher als weitgehend ungelöstes Problem.

Der Clou des neue Drohnenprototyps ist ein fast 10 Meter langer Ausleger aus Carbon, der mit 10 Kameras bestückt ist, die gleichzeitig Bilder aufnehmen. Die rechnerische Kombination dieser Aufnahmen über die große Synthetische Apertur des Auslegers ermöglicht das Wegrechnen der Verdeckung in der Geschwindigkeit der Kameraaufnahmen – also in Echtzeit. In ersten Experimenten erkennt ein Farbanomalie-Detektor Personen und verfolgt diese durch den Wald.

Erste Ergebnisse wurden nun im Science Partner Journal of Remote Sensing veröffentlicht, und zeigen nicht nur, dass „through-foilage tracking“ realistisch möglich ist, sondern auch, dass Anomaliedetektion, die häufig auch bei der automatisierten Bildsuche für Such- und Rettungsaktionen Anwendung findet, durch AOS stark verbessert wird. (Christian Savoy)

Externer Link: www.jku.at