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Saubere Energie aus Brennstoffzellen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.02.2016

Brennstoffzellen erzeugen elektrischen Strom aus der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Um saubere Energie zu erhalten, ist es entscheidend, mit welcher Methode Wasser vorher in seine Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff aufgetrennt wird. Forschende der Universität Basel untersuchen, wie sich Sonnenlicht zu diesem Zweck einsetzen lässt. Die Fachzeitschrift «Chemical Communications» hat ihre neusten Resultate veröffentlicht.

Saubere und erneuerbare Energiequellen zu entwickeln, ist eine der grossen Herausforderungen unserer Zivilisation. Die künstliche Photosynthese scheint dabei einer der erfolgversprechendsten Ansätze zu sein. Dabei wird Wasser photoelektrochemisch, d.h. mithilfe von Sonnenlicht, in seine Bestandteile H2 und O2 aufgetrennt und gespeichert. Bei der späteren Vereinigung der chemischen Elemente entsteht elektrischer Strom. Ein Team von Forschenden unter der Leitung der Basler Chemiker Catherine Housecroft und Edwin Constable arbeitet gemeinsam mit der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) an der Realisierung dieser Methode.

Die nachhaltige Brennstoffzelle

Die Spaltung von Wasser (H2O) besteht aus zwei Teilreaktionen, die mithilfe von unterschiedlichen Katalysatoren umgesetzt werden: die Wasseroxidation (dabei entsteht O2) und die Wasserreduktion (dabei entsteht H2), wobei die erste die anspruchsvollere der beiden Reaktionen ist. Die Forschung widmet sich deshalb intensiv der Entwicklung von effizienten und nachhaltigen Wasseroxidationskatalysatoren.

Ein wichtiger Faktor in der Realisierung der photoelektrochemischen Brennstoffzelle ist die präzise Anordnung der einzelnen Bestandteile. «Tut man das nicht, ist es, als würde man alle Einzelteile einer Uhr in einen Sack werfen, schütteln und dann darauf hoffen, die Zeit ablesen zu können», erklärt Prof. Edwin Constable von der Universität Basel.

Um die perfekte Anordnung der Katalysatoren zu eruieren, haben die Basler Chemiker in der aktuellen Studie ein Modell zur Wasseroxidation entwickelt, welches zwar mit Strom betrieben wird, aber die gleichen chemischen Zwischenzustände wie Licht generiert. Dabei verwendeten sie das chemische Element Ruthenium als Katalysator. Den Forschern ist es also gelungen, eine durch Lichtstrahlung betriebene Brennstoffzelle zu simulieren. Mithilfe dieses Modells konnten sie dann die Position und Effizienz der einzelnen Bestandteile testen.

Originalartikel:
Rita Toth, Roché M. Walliser, Niamh S. Murray, Debajeet K. Bora, Artur Braun, Giuseppino Fortunato, Catherine E. Housecroft and Edwin C. Constable
A self-assembled, multicomponent water oxidation device
Chemical Communications (2016), doi: 10.1039/c5cc09556e

Externer Link: www.unibas.ch

Frühe Förderung zahlt sich aus

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 05.01.2016

An der ETH Zürich wurden letztes Jahr 25 Spin-offs gegründet – so viele wie noch nie zuvor in einem Jahr. Der neue Rekord zeigt, wie hilfreich eine sehr frühe Unterstützung von jungen Talenten ist und dass das ETH-eigene Förderprogramm Früchte trägt.

Seit 2007 wurden an der ETH Zürich jährlich über 20 Spin-offs gegründet. Dieser Trend findet seinen vorläufigen Höhepunkt in einem neuen Rekord: 2015 wagten gleich 25 Jungunternehmerinnen und -unternehmer den Schritt zur Firmengründung. Inhaltlich ist das Spektrum breit: Da werden neue Methoden zur Messung von Muskelmüdigkeit oder Liposomen für die Entgiftung von Patienten entwickelt, Batterien optimiert oder intelligente Glühbirnen für mehr Sicherheit gegen Einbrüche programmiert.

Wie in den letzten Jahren üblich, stammen die meisten Gründungen – 2015 waren es sieben – aus dem Bereich Informatik- und Kommunikationstechnologie. Zudem gab es auffällig viele neue Spin-offs in Biotechnologie (4) und in der Entwicklung von medizinischen Geräten (3). Aber auch die Bereiche Elektrotechnik, Maschinenbau, sowie Beratung und Dienstleistungen waren mit je drei Gründungen vertreten. All diese Gebiete decken sich mit den Forschungsschwerpunkten der ETH Zürich.

Auch 2016 clevere Ideen

Besonders auffällig: Acht der 25 neuen ETH-Spin-offs wurden von sogenannten Pioneer Fellows gegründet. Mit dem Pioneer Fellowship Programm unterstützt die ETH Zürich bereits Masterstudierende, die eine Geschäftsidee in die Realität umsetzen wollen. «Es zeigt sich, dass es sich lohnt, junge Forschende schon sehr früh zu ermutigen, eine Idee zur Marktreife zu bringen. Das Programm wurde in den letzten fünf Jahren immer weiter optimiert und nun können jedes Jahr die Früchte dieser Bemühungen geerntet werden», freut sich Detlef Günther, Vizepräsident für Forschung und Wirtschaftsbeziehungen.

Seit 2010 konnten 52 Pioneer Fellows durch zahlreiche Donationen gefördert werden und daraus sind bereits 27 Spin-offs entstanden. Viele dieser Fellowships dauern aber noch an. Von den 33 bereits abgeschlossen Programmen haben 23 Pioneer Fellows – das bedeutet rund 70% – einen Spin-off gegründet. Deshalb überrascht es nicht, dass der Bund plant, das ETH-Modell in ein neues Förderprogramm zu integrieren und auf die gesamte Schweiz auszudehnen.

Die Aussichten der ETH für 2016 sind wiederum vielversprechend: «Im Dezember hatten die Pioneer Fellows im sogenannten ‹Pioneer-Pi-Pitch› die Gelegenheit ihre Ideen zu präsentieren und ich war beeindruckt, wie viele kreative Köpfe am Werk sind, die darauf brennen, ihre cleveren Ideen möglichst bald auch umzusetzen», erklärt Günther.

Gut investiert in ETH-Spin-offs

Eine eigene Firma zu gründen, erfordert Mut und Vertrauen in die eigene Stärke. Dafür zu sorgen, dass genügend Kapital vorhanden ist und sich im realen Wirtschaftsumfeld zu bewähren, ist nochmals eine andere Herausforderung. Und auch hier kann die ETH Zürich auf ein erfolgreiches Jahr zurückblicken: So erhielten ETH-Spin-offs, Pioneer Fellows und ETH-Studierende über eine Million Schweizer Franken von Venture Kick. Beim Heuberger Jungunternehmerpreis warben ETH-Spin-offs zudem 500‘000 Schweizer Franken ein. Zudem wurde substanziell in ETH-Spin-offs investiert. So erhielt GetYourGuide umgerechnet 50 Millionen US-Dollar, Insphero und Flisom, 20, resp. zehn Millionen Schweizer Franken, um nur einige Beispiele zu nennen.

«Unsere jungen Talente trauen sich etwas zu und werden für ihr Risiko belohnt. Wenn ich sehe, wie viele Investitionen 2015 in unsere Spin-offs geflossen sind, dann freue ich mich für unsere Jungunternehmerinnen und -unternehmer. Und ich bin davon überzeugt, dass es sich um gut investiertes Geld handelt», so Günther. Wie gewinnbringend ETH-Spin-offs sein können, zeigt die Entwicklung von GlycoVaxyn, die 2004 an der ETH Zürich gegründet wurde. 2015 kaufte GlaxoSmithKline die Firma für 212 Millionen US-Dollar.

Externer Link: www.ethz.ch

Proteinmenge steuert den Defekt

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Presseinformation der LMU München vom 22.01.2016

Mutationen des Gens Peripherin-2 sind eine der häufigsten Ursache für erbliche Netzhautkrankheiten. LMU-Wissenschaftler zeigen, warum die Mutationen sich ganz unterschiedlich auswirken – je nachdem, ob Sehstäbchen oder Sehzapfen betroffen sind.

Hochspezialisierte Sehzellen in der Netzhaut sorgen dafür, dass wir unsere Umgebung scharf und farbig wahrnehmen: Die besonders lichtempfindlichen Stäbchen erlauben das Sehen im Dämmerlicht und in der Nacht. Die Zapfen dagegen sind für das scharfe Sehen bei Tageslicht und für das Erkennen von Farben zuständig. Eine der häufigsten Ursachen genetisch bedingter Netzhauterkrankungen beim Menschen sind Mutationen des Gens Peripherin-2 (PRPH2), das ausschließlich in diesen Fotorezeptoren aktiv ist. „Wir konnten nun erstmals zeigen, dass PRPH2 Mutationen die in den Fotorezeptoren produzierten Proteinmengen beeinflussen – und zwar auf ganz unterschiedliche Weise“, sagt der LMU-Pharmakologe Professor Martin Biel, der mit seinem Team die zellulären Vorgänge untersuchte, die eine Mutation auslöst. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin PLOS Genetics.

Das Gen Peripherin-2 kodiert für ein gleichnamiges Protein, das essenziell ist für den korrekten Aufbau der lichtempfindlichen Kompartimente der Fotorezeptoren. Weltweit leiden Schätzungen zufolge 100 000 Patienten unter einer allmählichen Degeneration der Fotorezeptoren bis hin zur Blindheit, die durch Mutationen in diesem Gen ausgelöst wird. „Seit Jahrzehnten ist es ein ungelöstes Rätsel, weshalb manche Mutationen zur Degeneration von Sehstäbchen führen, andere dagegen vor allem die Sehzapfen betreffen“, sagt Elvir Becirovic, der Erstautor der Studie.

Schnitte ins Erbgut

Um diesen Effekt näher zu untersuchen, haben die Wissenschaftler mithilfe von speziell modifizierten Viren – sogenannten Adenovirus-assozierten Viren (rAAV) – Mutationen im Peripherin-2-Gen spezifisch nur in den Photorezeptortyp eingeschleust, der durch die jeweilige Genveränderung auch tatsächlich beeinträchtigt wird. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass die Mutationen die Umsetzung der genetischen Information beeinflussen: Beim Ablesen eines Gens entsteht zunächst eine Vorläufer-mRNA, aus der dann durch das sogenannte „alternative Spleißen“ bestimmte Bereiche herausgeschnitten werden. Dadurch entsteht die endgültige mRNA, die als Vorlage für Proteine dient. Über das alternative Spleißen kann die Zelle die molekulare Zusammensetzung, aber auch die Menge des jeweiligen Proteins regulieren.

„Wir haben zunächst gezeigt, dass Sehstäbchen beim Spleißen deutlich effizienter sind und dadurch mehr Peripherin-2-Protein produzieren als die Zapfen. Die meisten Mutationen, die mit einer Degeneration der Stäbchen assoziiert sind, führten in unserer Untersuchung zu einer Reduktion der Proteinmenge in diesem Rezeptortyp, die teilweise durch eine geringere Spleißeffizienz entsteht“, sagt Becirovic. Im Gegensatz dazu führten die meisten Mutationen, die Zapfendefekte hervorrufen, zu einer Erhöhung der Proteinmenge in Sehzapfen. Dieser Effekt beruhte ausschließlich auf der Steigerung der Spleißeffizienz. Damit haben die Wissenschaftler zum ersten Mal nachgewiesen, dass krankheitsassoziierte Mutationen nicht nur durch eine Reduktion, sondern auch durch eine Erhöhung der Spleißeffizienz entstehen können.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass sogar evolutionär, strukturell und funktionell verwandte Zelltypen wie Fotorezeptoren sich in ihrem Spleißverhalten deutlich unterscheiden können, was die differenzierte Wirkung von Mutationen erklären kann“, sagt Becirovic. Die Wissenschaftler vermuten, dass Mutationen in anderen Genen ähnliche Effekte auf das Spleißen und die damit verbundene Proteinproduktion haben könnten.

Möglicher Ansatzpunkt für Therapie

Die Studie ist auch für therapeutische Anwendungen sehr interessant, denn genetische Modifikationen mithilfe von rAAV-Genfähren sind laut Biel eine attraktive Methode, um Gendefekte beim Menschen zu behandeln. „Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass das rAAV-System auch zur Behandlung der genetischen Defekte in den Sehstäbchen und Sehzapfen eingesetzt werden könnte“, sagt Biel, an dessen Lehrstuhl solche Fähren bereits zur Behandlung retinaler Erkrankungen entwickelt wurden. „Da zusätzlich produzierte Proteine in den Sehzapfen vermutlich toxisch wirken, muss allerdings sichergestellt werden, dass es dabei nicht zu einer Überproduktion von Peripherin-2 in diesem Rezeptor kommt.“

Publikation:
PLOS Genetics 2016

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Mit biologischen Abfällen zu nachhaltigen Batterien

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 20.01.2016

Forscher entwickeln neuartige, kostengünstige und leistungsstarke Aktivmaterialien für Natrium-basierte Energiespeicher / Veröffentlichung in Advanced Energy Materials und ChemElectroChem

Ein kohlenstoffbasiertes Aktivmaterial, das aus Apfelresten gewonnen wird, und ein Material aus Schichtoxiden könnten helfen die Kosten für zukünftige Energiespeicher zu senken. Beide zeigen exzellente elektrochemische Eigenschaften und stehen für umweltfreundliche und nachhaltige Nutzung von Ressourcen. In den Zeitschriften „ChemElectroChem“ und „Advanced Energy Materials“ stellen Forscher des Helmholtz-Instituts Ulm des Karlsruher Instituts für Technologie die neuen Materialien vor.

Natrium-Ionen-Batterien sind nicht nur deutlich leistungsstärker als Systeme wie Nickel-Metallhydrid- oder Bleisäure-Akkumulatoren, sondern repräsentieren auch eine Alternative zur Lithium-Ionen-Technologie, da ihre Ausgangsrohstoffe weit verbreitet, einfach zugänglich und kostengünstig sind. Daher sind Natrium-Ionen-Batterien eine äußerst vielversprechende Technologie für stationäre Energiespeicher, welche eine zentrale Rolle in der Energiewende einnehmen und damit einen äußerst attraktiven Markt in der Zukunft darstellen.

In der Entwicklung von Aktivmaterialien für Natrium-basierte Energiespeichersysteme ist dem Team um Professor Stefano Passerini und Dr. Daniel Buchholz am Helmholtz-Institut Ulm des Karlsruher Instituts für Technologie nun ein bedeutender Schritt gelungen. Für die negative Elektrode wurde ein kohlenstoffbasiertes Material entwickelt, welches aus Apfelabfällen gewonnen werden kann und exzellente elektrochemische Eigenschaften besitzt. Über 1000 Lade- und Entladezyklen mit hoher Zyklenstabilität und hoher Kapazität konnten bisher demonstriert werden. Diese Entdeckung stellt einen wichtigen Schritt zur nachhaltigen Nutzung und Verwertung von Ressourcen wie beispielsweise biologischer Abfälle dar.

Für die positive Elektrode wurde ein Material entwickelt, welches aus verschiedenen Schichten von Natriumoxiden besteht. Dieses Aktivmaterial kommt völlig ohne das teure und umweltschädliche Element Cobalt aus, welches heutzutage häufig noch immer ein wichtiger Bestandteil in Aktivmaterialien von kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien ist. Das neue Aktivmaterial, in dem die eigentliche elektrochemische Speicherung von Energie stattfindet, kann im Labor ohne Kobalt über Hunderte Zyklen die gleichen Leistungsdaten erreichen, wenn es um Effizienz, Zyklenstabilität, Kapazität sowie Spannung geht.

Mit diesen Materialien ist nun ein wichtiger Schritt hin zur Entwicklung kostengünstiger und umweltfreundlicher Natrium-Ionen-Batterien gemacht worden. (dm)

Publikationen:

„Apple Biowaste-Derived Hard Carbon as a Powerful Anode Material for Na-Ion Batteries“ ChemElectroChem, doi: 10.1002/celc.201500437

“Layered Na-Ion Cathodes with Outstanding Performance Resulting from the Synergetic Effect of Mixed P- and O-type Phases” Advanced Energy Materials, doi: 10.1002/aenm.201501555

Externer Link: www.kit.edu

Für Flüchtlinge stellen Saarbrücker Informatik-Studenten soziales Netzwerk zum Sprachenlernen bereit

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 18.01.2016

Rund eine Millionen Asylsuchende sind nach aktuellen Zahlen im vergangenen Jahr nach Deutschland gekommen. Dass sie Deutsch lernen, gilt als Voraussetzung, um sie erfolgreich in die Gesellschaft zu integrieren. Oft bleiben die Asylbewerber und Einwanderer jedoch außerhalb der Unterrichtsstunden unter sich und haben wenig Gelegenheit und Anreiz, das Gelernte anzuwenden.  Das wollen nun zwei Informatik-Studenten der Universität des Saarlandes ändern. Zusammen mit dem Verein „Wir helfen jetzt“ bieten sie deutschen Muttersprachlern und Ausländern ein soziales Netzwerk zum gemeinsamen, kostenlosen Sprachenlernen an.

Laut dem Bundesamt für Migration und Flüchtlinge können Asylbewerber und andere Personen mit Bleibeperspektive Integrationskurse besuchen. Diese bestehen aus einem Sprach- und Orientierungskurs, in privaten und öffentlichen Sprachschulen, gehalten von speziellen Lehrkräften. Jedoch bleiben die Asylsuchenden beim Lernen und beim Üben meist unter sich und haben wenig Kontakt zu deutschen Muttersprachlern. „Genau hier setzen wir an“, sagt Patrick Carroll, der gerade den Masterstudiengang „Language Science and Technology“ an der Universität des Saarlandes abschließt. Zusammen mit Christian Faber, Informatik-Student an der Saar-Uni, hat er die Online-Plattform „SpeaQwith.me for Refugees“ realisiert. Mit dieser adaptieren sie die bekannte Sprachlernmethode „Tandem“ – zwei Personen mit unterschiedlicher Muttersprache bringen sich gegenseitig die jeweilig fremde Sprache bei – für das Online-Lernen und die Belange von Asylsuchenden und Einwanderern. Diese und deutsche Muttersprachler können sich auf der Online-Plattform anmelden und per Textnachrichten in Echtzeit (Chat) oder über Videokonferenz miteinander reden. „So steht nicht nur das Erlernen der deutschen Sprache im Vordergrund“, sagt Christian Faber, „sondern auch der kulturelle Aspekt“. Damit strebe „SpeaQwith.me for Refugees“ die gleichen Ziele wie die Integrationskurse der Bundesregierung an, allerdings sei der Zugang einfacher und das Betreuungsverhältnis besser, so Faber.

Um sicherzustellen, dass auch jeder Teilnehmer seinen virtuellen Tandempartner findet, kann man auf der Plattform seine Interessen angeben. Ähnlich wie bei Partnerbörsen bringt die Plattform dann gezielt Muttersprachler und Sprachschüler mit den gleichen Vorlieben zusammen. Dieses „Matching“ wird auf die Personen angewandt, die gerade online sind. Spontane Hilfe ist so möglich. „Wir versuchen damit, die Hürde für ein Ehrenamt zu senken. Wenn ich abends eine Stunde Zeit habe, dann helfe ich eben mal, indem ich online als Konversationspartner oder gar Sprachlehrer auftrete“, erklärt Faber. Nach einer Chat-Session oder einem Videogespräch kann jeder Teilnehmer das Gespräch bewerten und auch Beleidigungen und „unangemessene Darstellungen“ melden. „So etwas gehört zum Standard bei Videochats seit den negativen Erfahrungen etwa bei der 2009 ins Leben gerufenen Seite Chatroulette“, berichtet Faber.

Die Idee zu der Plattform stammt von Patrick Carroll, der als eingewanderter US-Amerikaner die Lernproblematik am eigenen Leib spürte. „Damals habe ich mich aufgrund der klassenzimmer-ähnlichen Paukerei nach einer lockeren, natürlichen Konversation geradezu gesehnt“, so Carroll. Auf dem „Startup Weekend“, das der Saarbrücker IT-Inkubator im Mai 2015 federführend organisierte, hatte er deswegen seine Idee vorgestellt und Christan Faber als Mitstreiter gewonnen. Nach dem Wochenende standen nicht nur ein erster Prototyp und ein grober Geschäftsplan fest, sondern es gab auch lobende Rückmeldungen von den Juroren. Dadurch bestärkt haben die beiden Informatik-Studenten sich auch für das von der Bundesregierung finanzierte Gründerstipendium „Exist“ beworben. „Eigentlich wollten wir dafür bis kommenden August ganz entspannt den Prototyp entwickeln, aber dann wurde die Flüchtlingskrise offenbar “, erklärt Carroll.

An der Gründung werden die beiden Informatik-Studenten der Saar-Uni festhalten. Allerdings werde man dazu den derzeitigen Prototypen erheblich weiterentwickeln. So soll nicht nur das Matching zwischen den Gesprächspartnern mit Hilfe von Ansätzen aus der Künstlichen Intelligenz wesentlich verbessert werden, sondern auch ein intelligentes Tutorensystem die Gesprächsqualität verbessern. Das Geschäftsmodell für die künftige Version der Plattform existiert schon: Als Lernender muss man nichts bezahlen, solange man dafür im Austausch selber in die Lehrer-Rolle schlüpft und sich sogenannte Credits erarbeitet. „Wer jedoch dazu keine Zeit oder keine Lust hat, kann sich die Credits und andere Features einfach kaufen“, so Carroll.

Technischer Hintergrund zu „SpeaQwith.me for Refugees“

SpeaQwith.me ist als eine „reponsive Web-App“ konzipiert. Sie ist daher auf allen Geräten (PC, Smartphone, Laptop, Tablet-Rechner) unabhängig vom Betriebssystem verfügbar. Für den Video-Chat verwendet es „Web-RTC“. Dies ist ein neuartiger Webstandard zur Kommunikation in Echtzeit. Er erlaubt es, den Video-Chat im Browser zwischen den einzelnen Gesprächspartnern herzustellen. Auf diese Weise wird auch die Privatsphäre der einzelnen Personen geschützt. Um den Gesprächsfluss zu unterstützen, verwendet SpeaQwith.me ein automatisches Tutorensystem, das Themen vorschlägt und eine Übersetzungshilfe anbietet.

Externer Link: www.uni-saarland.de