Archiv der Kategorie: Hochschule

High Tech aus Oberösterreich: Künstliche Nerven für schnellere Heilung

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der JKU Linz vom 19.05.2017

Gemeinsam mit oberösterreichischen Forschungseinrichtungen haben WissenschaftlerInnen der Johannes Kepler Universität ein Verfahren entwickelt, bei dem durch künstliche Nervenzellen die Regeneration verletzten Gewebes beschleunigt werden soll. Der revolutionäre Ansatz wurde nun bei einem internationalen Wettbewerb als beste Life-Science-Geschäftsidee ausgezeichnet.

Theoretische Erkenntnisse praktisch umzusetzen ist eine Stärke der Kepler Universität. Daher gründete Dr. Klaus Schröder gemeinsam mit den JKU-Professoren Oliver Brüggemann und Ian Teasdale (beide Institut für Chemie der Polymere) 2016 das Unternehmen NP Life Science Technologies KG. Die Wissenschaftler entwickeln ein bioabbaubares Implantat, das die Regeneration geschädigter, getrennter peripherer Nerven unterstützen wird. Es hat eine Länge von einigen Millimetern und besteht aus zahlreichen parallel ausgerichteten Mikrokanälen.

„Es bildet damit sozusagen die Struktur eines Nervs nach. Den mikrometer-großen regenerierenden echten Nervenzellen und deren Ausläufern bietet es eine unmittelbare Wachstumsrichtung zwischen den Nervenenden. Die schnellere Regeneration ist vorteilhaft für PatientInnen, da sie mit einer schnelleren Ausheilung und einer dauerhaften Wiederherstellung der Lebensqualität einhergeht“, erklärt Univ.-Prof. Brüggemann.

Patent erteilt

Das Patent für dieses Verfahren  wurde in Österreich bereits erteilt. „Der Erfolg beruht darauf, dass wir auf Basis des bioanorganischen Kunststoffs Polyphosphazen organähnliche Strukturen nachbilden lassen, die in die Zellen des Körpers einwandern und geschädigte und zerstörte Gewebe regenerieren. Polyphosphazene bieten den Vorteil, dass man sie chemisch sehr gut modifizieren und sie somit den biologischen Bedürfnissen eines Gewebes anpassen kann“, erklärt Univ.-Prof. Teasdale.

Auszeichnung als beste Idee

Bereits jetzt kann das Start-up-Unternehmen einen großen Erfolg verbuchen: Am 27. April wurde die NP Life Science Technologies KG mit dem Best of Biotech Award Phase 1 ausgezeichnet. 31 Einreichungen aus drei Ländern wurden von der Fachjury eingehend geprüft. „Wir freuen uns, dass unser Projekt so erfolgreich ist“, erklärt NP-Life-Science-Technologies-CEO Dr. Klaus Schröder. „Nun hoffen wir, dass wir bald unseren ersten Prototypen für Nerven präsentieren können.“

High Tech aus Oberösterreich soll somit Menschen auf aller Welt helfen. „Schade, dass wir der einzige Wettbewerbsteilnehmer aus Oberösterreich waren“, bedauert Schröder, und hofft, dass die Vision eines „Medical Valley“ im Bundesland Wirklichkeit wird.

NP Life Science Technologies KG ist ein Unternehmen, das sich der Erforschung und Entwicklung von funktionalisierten Polymerstrukturen widmet. Das umfasst u.a. die Entwicklung von Medizinprodukten, die den menschlichen Organismus bei der Regeneration traumatisierter Gewebe unterstützten und die Funktionalität wiederherstellen. (Christian Savoy)

Externer Link: www.jku.at

Smarte Displays aus dem Drucker

Veröffentlicht am von

Pressemitteilung der HAW Landshut vom 08.05.2017

Ein Shirt, das mit der Umwelt kommuniziert: Elektrolumineszenz-Displays könnten das bald möglich machen. Die Folien lassen sich in Kleidung integrieren. Maximilian Wurzer hat in seiner Bachelorarbeit solche Displays entwickelt.

Smarte Fitnessuhren, die den Puls messen und Schritte zählen, sind längst nichts Neues mehr. Die Minicomputer, die man bisher am Handgelenk oder in der Tasche trägt, werden jetzt in die Kleidung integriert. Auf dem Display eines smarten Shirts steht jeden Tag eine neue Botschaft, die der Träger nach Stimmung programmieren und darstellen kann – zum Beispiel über Elektrolumineszenz-Displays, kurz ELDs. Der Clou dieser Technologie: „Die Elektronik wird einfach auf einen flexiblen Träger gedruckt, zum Beispiel auf eine Folie“, erklärt Prof. Dr. Artem Ivanov von der Fakultät Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule Landshut. Bisher kommen ELDs hauptsächlich als Anzeigefeld unter schwierigen Bedingungen in der Industrie zum Einsatz, zum Beispiel bei hoher Luftfeuchtigkeit oder mechanischen Belastungen und sind entsprechend teuer.

„Die Auflösung kann zwar noch lange nicht mit Smartphones oder Tablets mithalten“, so Ivanov. „Trotzdem kann ich mir vorstellen, dass die ELDs in smarter Kleidung zum Einsatz kommen könnten, denn sie sind biegsam, robust und günstig zu produzieren.“ Wie das aussehen könnte, hat Maximilian Wurzer in seiner Bachelorarbeit untersucht: „Es ging darum herauszufinden, wie man ELDs mit dem aktuellen Stand der Technik sinnvoll, sicher und schick in Kleidung integrieren kann“, so Wurzer, der Wirtschaftsingenieurwesen studiert hat.

ELDs: biegsam, robust und günstig

Dafür hat er zunächst das rund fünf Zentimeter lange Display entworfen und aufgebaut, das später Caps und T-Shirts zieren sollte. Es besteht aus fünf Schichten, die er nacheinander im Labor auf die Trägerfolie aufgedruckt hat. „Man muss sich das wie Siebdruck vorstellen. Für jede Schicht wird eine Siebschablone hergestellt. Darauf gibt man die Paste und zieht den Überschuss wieder ab“, erklärt Wurzer. „Ohne die Hilfe der Labormeister wäre das gar nicht möglich gewesen. Sie wissen genau, welche Pasten sich eignen, wie schnell man sie auftragen oder wie man die Parameter an der Maschine einstellen muss.“

Schicht für Schicht sind die Displays entstanden. Das Kernstück sind die zwei Elektrodenschichten: Legt man dort Wechselstrom an, entsteht ein elektrisches Feld. Das bewirkt, dass die dazwischenliegende Phosphorschicht, die aus verbundenen Pixeln besteht, leuchtet und sich als blaue Formen oder Schriftzüge auf dem Display zeigt. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, hat Wurzer zwei weitere Schichten aus isolierendem Material aufgebracht. „Auf manche Displays haben wir noch einen blauen Farbfilter appliziert. Das erhöht den Kontrast des blauen Leuchtstoffs“, so Wurzer.

Spannung bringt Display zum Leuchten

Spannung an den Elektroden bringt das Display zum Leuchten. Der Student hat dafür eine eigene Treiberschaltung gebaut. Darin kann er programmieren, wann welches Pixel leuchten soll. „Das ist auch das Besondere an der Arbeit. Bisher gab es keine kompakten Treiberschaltungen für pixelbasierte ELDs, auf denen man unterschiedliche Inhalte zeigen kann. Das ist etwas ganz Neues“, so der betreuende Professor Ivanov. Daher musste Wurzer sich auch mit den Sicherheitsvorgaben befassen: „Je höher die Spannung desto heller leuchtet das ELD. Doch ist sie zu hoch, halten die Bauteile das nicht aus oder es ist zu gefährlich, das Display am Körper zu tragen. Ist sie zu niedrig, leuchtet das Display nicht mehr“, fasst Wurzer zusammen. Er hat daher Widerstände und einzelne Bauteile der Schaltung so eingestellt, dass man sie sicher berühren kann: „Leider hat das Display dadurch etwas an Helligkeit eingebüßt.“ Die Folge: Im Dunkeln und in künstlich beleuchteten Räumen kann man gut erkennen, welcher Schriftzug über die Displays läuft. Für einen Sonnenplatz reicht die Leuchtkraft der Phosphorschicht nicht ganz.

Wurzer hat seine ELDs auf einen Rucksack, Shirts und Caps integriert. „Die Technologie lässt sich weiterentwickeln und mit anderer Steuerungselektronik koppeln“, meint er. Zum Beispiel in Sachen E-Health: „Wenn ein Diabetespatient zu weit in den Unterzucker fällt und bewusstlos wird, könnte das Zuckermessgerät über einen Funksender das Display aktivieren, das im Shirt integriert ist.“ Darauf würde dann erscheinen: „Diabetespatient im Unterzucker, bitte rufen Sie einen Notarzt.“ Wie die kleinen Bildschirme die Medizintechnik voranbringen könnten, könnten weitere Themen für Abschlussarbeiten an der Hochschule Landshut sein.

Externer Link: www.haw-landshut.de

Quantentechnologien auf dem Prüfstand

Veröffentlicht am von

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 18.05.2017

Angelehnt an ein Verfahren aus der Signal- und Bildverarbeitung haben Innsbrucker Physiker um Rainer Blatt gemeinsam mit Kollegen aus Deutschland und Australien eine neue Methode zur Prüfung quantenmechanischer Prozesse entwickelt und experimentell erprobt. Sie berichten darüber in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Jede Technologie erfordert Methoden und Protokolle, die ihre Funktionstüchtigkeit überprüfen. Nur wenn garantiert werden kann, dass die Komponenten richtig zusammenspielen, können komplizierte Geräte verlässlich arbeiten. In vielen Fällen sind die Prüfmethoden standardisiert – etwa beim Auto. „Die Quantentechnologien sind hier keine Ausnahme“, sagt Thomas Monz vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. Basierend auf den eigenartigen Gesetzen der Quantenmechanik sind abhörsichere Kommunikation, neue schnelle Superrechner und Simulationsmethoden möglich. Es ist jedoch besonders schwierig, für die Quantentechnologien Protokolle zu entwickeln, die deren Funktionstüchtigkeit sicherstellen. „Dies hat mit den Regeln der Quantenmechanik zu tun“, erklärt Jens Eisert, Professor für Quantenphysik an der Freien Universität Berlin. „Nicht nur verändert man mit der Messung das Objekt, es ist auch so, dass der Konfigurationsraum der Quantenmechanik gigantisch groß ist – also der abstrakte Raum, in dem man quantenmechanische Systeme beschreibt.“ Ohne neue Ideen und Methoden sei es völlig unrealistisch, Prüfmethoden zu konzipieren: Man wäre in dem riesigen Konfigurationsraum der Möglichkeiten verloren.

Neue Methode der Signalverarbeitung

In der von den Forschern aus Innsbruck, Berlin, Köln und Sydney nun entwickelten Methode kommen neuartige Ideen aus der angewandten Mathematik zum Tragen, die aus dem sogenannten Compressed-Sensing-Verfahren stammen. Dieses findet eigentlich in der Signal- und Bildverarbeitung Anwendung: Statt vollständige Daten aufzunehmen, werden hier weitaus weniger Daten in völlig zufälliger Weise aufgenommen. Die zentrale Einsicht dabei ist, dass gegenwärtigen Methoden der Bildverarbeitung ein Missverständnis zugrunde liegt: „Wenn man Bilddaten stark komprimieren und in exponentieller Weise reduzieren kann, muss dies eigentlich bedeuten, dass man die Bilddaten bereits falsch aufgenommen hat“, erläutert der Theoretiker Jens Eisert. Es müsse also Methoden geben, die Information wie Bilddaten effizienter aufzunehmen. Das Compressed-Sensing-Verfahren erlaubt genau dies: Die Einsparung an Daten, die aufgenommen werden müssen, um etwa Bilder später zu rekonstruieren, ist enorm.

Auf Quantentechnologien angewandt

Diese Ideen übertrugen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun auf die Quantenmechanik, entwickelten sie weiter und erprobten sie im Experiment. „In diesem genuin interdisziplinären Projekt sind Methoden der angewandten Mathematik, der theoretischen Physik und der Experimentalphysik zum Tragen gekommen“, erklärt Jens Eisert. Zum Erproben der Techniken an der Universität Innsbruck haben die Physiker um Rainer Blatt und Thomas Monz einzelne geladene Teilchen (Ionen) verwendet, die wie in einer Perlenkette aufgereiht sind, und so den Quantenzustand von sieben Ionen in einem fehlerkorrigierenden Code sehr exakt rekonstruiert. Weitergedacht, sei mit solchen Methoden tatsächlich ein Prüfstand für die Präparationen von Quantensystemen denkbar, gewissermaßen ein TÜV für die Quantentechnologien, sagen die Forscher.

Gefördert wurde das Projekt unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG und der Tiroler Industrie.

Publikation:
A. Riofrio, D. Gross, S.T. Flammia, T. Monz, D. Nigg, R. Blatt & J. Eisert. Experimental quantum compressed sensing for a seven-qubit system. Nature Communications 8, 15305 (2017). DOI: 10.1038/ncomms15305

Externer Link: www.uibk.ac.at

Energiesparen mit einem Tüpfelchen Silber

Veröffentlicht am von

Presseinformation der LMU München vom 15.05.2017

In Zukunft können außer Elektronen auch Lichtteilchen Computer steuern. Als Lichtleiterbahnen testen Forscher Ketten aus Goldnanopartikeln. LMU-Forscher zeigen, wie ein Tüpfelchen Silber beim Rechnen mit Licht enorm Energie sparen könnte.

Heutige Rechner sind schnell und klein wie nie zuvor. So wird die neueste Transistorengeneration Strukturgrößen von nur zehn Nanometer aufweisen. Um in diesen Dimensionen noch schneller und auch energiesparender zu werden, schalten und walten im Computer vermutlich bald Lichtteilchen statt Elektronen. Der Fachbegriff lautet „Optischer Computer“.

Glasfasernetze nutzen schon heute Licht, um Daten schnell und möglichst verlustfrei über weite Strecken zu transportieren. Die dünnsten Kabel besitzen jedoch Durchmesser im Mikrometer-Bereich, denn die Lichtwellen mit Wellenlängen um einen Mikrometer müssen ungehindert schwingen können. Für die Datenverarbeitung auf einem Mikro- oder gar Nanochip ist daher ein komplett anderes System nötig.

Eine Möglichkeit wäre, Lichtsignale über sogenannte Plasmonenschwingungen weiterzuleiten. Dabei regt ein Lichtteilchen (Photon) die Elektronenwolke eines Gold-Nanopartikels zum Oszillieren an. Diese Wellenbewegung pflanzt sich mit immerhin rund zehn Prozent der Lichtgeschwindigkeit über eine Kette von Nanopartikeln fort. Somit sind zwei Ziele erreicht: Nanometer-Dimension und enorme Geschwindigkeit. Bleibt der Energieverbrauch. Und der wäre im Fall einer reinen Gold-Kette durch starke Wärmeentwicklung ähnlich hoch wie in klassischen Transistoren.

Eine Art Vermittler

Tim Liedl, Professor für Physik an der LMU und Wissenschaftler im Exzellenzcluster Nanosystems Initiative Munich (NIM), beschreibt mit Kollegen von der Ohio University jetzt in der Fachzeitschrift Nature Physics, wie Silber-Nanopartikel den Energieverbrauch deutlich senken können. Die Physiker bauten eine Art Mini-Teststrecke von rund 100 Nanometern Länge aus drei Nanopartikeln: Vorne und hinten je ein Gold-Nanopartikel und ein Silber-Nanopartikel genau in der Mitte.

Das Silber dient hier als eine Art Vermittler zwischen den Goldpartikeln, ohne dass in ihm Energie verloren geht. Um das Plasmon des Silberpartikels in Schwingung zu versetzen, wäre eine höhere Anregungsenergie nötig als für Gold. Und so „umfließt“ die Energie dieses Partikel lediglich. „Der Transport wird über die Kopplung der elektromagnetischen Felder um die sogenannten Hot Spots vermittelt, die jeweils zwischen den beiden Goldpartikeln und dem Silberpartikel entstehen“, erklärt Tim Liedl. „So kann die Energie fast verlustfrei weitergereicht werden und das auf der Femtosekundenskala.“

Entscheidende Voraussetzung für die Versuche war, dass Tim Liedl und seine Kollegen Spezialisten im punktgenauen Platzieren von Nanostrukturen sind. Erst die dazu angewandte „DNA-Origami-Methode“ ermöglicht es, verschiedene kristallin gewachsene Nanopartikel in definiertem Nano-Abstand nebeneinander zu setzen. Bisherige Versuche dieser Art nutzten herkömmliche Lithographietechniken, die insbesondere für verschiedenartige Metalle nebeneinander nicht die notwendige räumliche Präzision liefern.

Parallel zu den Experimenten simulierten die Physiker den Versuch per Computer und fanden ihre Messergebnisse bestätigt. Neben klassischen Elektrodynamiksimulationen konnte Alexander Govorov, Professor für Theoretische Physik an der Ohio University, Athens, USA, und Koautor der Arbeit, auch ein einfaches quantenmechanisches Modell aufstellen: „In diesem Modell stimmen das klassische und das quantenmechanische Bild sehr gut überein, was es als mögliches Beispiel in Unterrichtsbüchern qualifiziert.“ (NIM/LMU)

Publikation:
Nature Physics 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Erdgasanlagen ohne CO2-Ausstoß

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der TU Wien vom 10.05.2017

So umweltfreundlich war Erdgasnutzung noch nie: Die TU Wien leitete ein Forschungsprojekt, das nun eine neue Methode der Erdgasverbrennung hervorgebracht hat – ganz ohne CO2-Ausstoß.

Wie kann man Erdgas verbrennen, ohne dabei CO2 in die Luft abzugeben? Dieses Kunststück gelingt mit einem speziellen Verbrennungsverfahren, an dem die TU Wien seit Jahren forscht – der „Chemical Looping Combustion“ (CLC). Dabei wird das CO2 direkt während der Verbrennung ohne zusätzlichen Energieaufwand abgeschieden und kann anschließend gespeichert werden. Somit wird verhindert, dass es in die Atmosphäre gelangt.

In einer Versuchsanlage mit einer Leistung von 100 kW wurde die Methode bereits erfolgreich angewandt. Jetzt gelang es in einem internationalen Forschungsprojekt, die Technik auf einen größeren Maßstab hochzuskalieren, sodass nun alle Voraussetzungen dafür geschaffen wurden, eine voll funktionsfähige Demonstrationsanlage mit einer Leistung im Bereich von 10 MW zu bauen.

CO2 vom Restabgas abscheiden

Die Verbrennung von Erdgas ist deutlich sauberer als die Verbrennung von Erdöl oder Kohle. Trotzdem hat Erdgas den großen Nachteil, dass bei der Verbrennung klimaschädliches CO2 entsteht. Dieses CO2 bildet normalerweise einen Teil des Abgas-Gemischs, gemeinsam mit Stickstoff, Wasserdampf und anderen Inhaltsstoffen. In dieser gemischten Form lässt sich das CO2 weder speichern noch sinnvoll verwerten.

„In den Anlagen, mit denen wir arbeiten, funktioniert die Verbrennung aber grundlegend anders“, erklärt Stefan Penthor vom Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften der TU Wien. „Bei unserer Verbrennungstechnik kommt das Erdgas gar nicht in Kontakt mit der Luft, weil wir den Prozess auf zwei getrennte Kammern aufteilen.“

Zwischen den beiden Kammern zirkuliert ein Granulat aus Metalloxid, das für den Sauerstofftransport zuständig ist: „Durch eine Kammer pumpen wir einen Luftstrom, dort nehmen die Partikel Sauerstoff auf. Sie gelangen dann in die zweite Kammer, die vom Erdgas durchströmt wird. Dort geben sie den Sauerstoff ab, es kommt dort zu einer Verbrennung ohne Flamme, dabei entsteht CO2 und Wasserdampf“, erklärt Penthor.

Durch die Aufteilung in zwei Kammern hat man es auch mit zwei getrennten Abgasströmen zu tun: Aus der einen Kammer entweicht sauerstoffarme Luft, aus der anderen Wasserdampf und CO2. Der Wasserdampf kann ganz einfach abgetrennt werden, übrig bleibt fast reines CO2. Dieses CO2 kann für andere technische Anwendungen genutzt werden – oder man speichert es. „Die unterirdische Lagerung von CO2 in großem Stil, in ehemaligen Erdgas-Lagerstätten, könnte in Zukunft eine wichtige Rolle spielen“, glaubt Stefan Penthor. Auch das Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) der Vereinten Nationen sieht die unterirdische Lagerung von CO2 als wesentlichen Bestandteil einer künftigen Klimapolitik, doch CO2 zu lagern ist nur möglich, wenn es – wie bei der neuen Verbrennungstechnik CLC – in möglichst reiner Form abgeschieden wird.

Durch diese Trennung der beiden Abgasströme erspart man sich den sehr energieintensiven Schritt, das CO2 aus dem Abgas herauszuwaschen. Trotzdem wird auf übliche Weise Strom erzeugt, die Menge der freigesetzten Energie ist genau dieselbe wie bei der herkömmlichen Verbrennung von Erdgas.

Erfolgreich auf großen Maßstab skaliert

Dass die CLC-Verbrennungsmethode funktioniert, konnte an der TU Wien bereits vor einigen Jahren anhand einer Versuchsanlage demonstriert werden. Die große Herausforderung war es nun, den Prozess so umzugestalten, dass er auf wirtschaftlich interessante Großanlagen übertragen werden kann. Dafür war es notwendig, das gesamte Anlagen design zu überarbeiten, außerdem mussten neue Herstellungsverfahren für die Metalloxid-Partikel entwickelt werden. Als Basis für das überarbeitete Anlagendesign dienten zwei Patente der TU Wien im Bereich Wirbelschichttechnik.

„Für eine große Anlage braucht man viele Tonnen dieser Partikel, daher hängt die Wirtschaftlichkeit des Konzepts nicht zuletzt davon ab, dass man sie einfach und in ausreichender Qualität herstellen kann“, sagt Stefan Penthor.

Dreieinhalb Jahre lang wurde nun im Forschungsprojekt SUCCESS an solchen Fragen geforscht. Neben der TU Wien, von der das Projekt koordiniert wurde, waren 16 Partnereinrichtungen aus ganz Europa beteiligt. Tatsächlich konnten alle wichtigen technischen Fragestellungen geklärt werden. „Das Ziel ist erreicht: Wir haben die Technologie nun so weit entwickelt, dass man jederzeit beginnen kann, eine Demonstrationsanlage im Bereich von 10 Megawatt zu errichten“, sagt Stefan Penthor. Das ist nun aber nicht mehr die Aufgabe der Forschungseinrichtungen, für diesen nächsten Schritt werden nun private Geldgeber gebraucht. Auch vom Willen der Politik und künftigen Rahmenbedingungen in der Energiewirtschaft wird der Erfolg dieser Technologie abhängen. Der nächste Schritt ist auch deswegen wichtig, weil nur so die nötige Erfahrung zum Langzeitbetrieb im industriellen Maßstab gesammelt werden kann.

Inzwischen hat das Forschungsteam an der TU Wien auch bereits das nächste wissenschaftliche Ziel ins Visier genommen: „Wir möchten das Verfahren so weiterentwickeln, dass man nicht nur Erdgas, sondern auch Biomasse verbrennen kann“, sagt Penthor. „Wenn man Biomasse verbrennt und CO2 abscheidet, würde man nicht nur CO2-neutral arbeiten, man würde sogar den CO2-Gehalt der Luft reduzieren. Man könnte also gleichzeitig Energie gewinnen und etwas Gutes für das Weltklima tun.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at