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TU-Forschung entschlüsselt die inneren Qualitäten von Asphalt

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Presseaussendung der TU Wien vom 01.12.2015

Was hält Asphalt zusammen und macht unsere Straßen haltbar? Analysen an der TU Wien bringen neue Einblicke in die Chemie von Bitumen und sollen alten Asphalt wieder jung erscheinen lassen.

Bitumen ist das klebrig-schwarze Bindemittel, das im Asphalt die Steine zusammenhält. Die Qualität dieses Erdölproduktes bestimmt die Eigenschaften und die Haltbarkeit des Asphalts, daher ist es wichtig, das Verhalten von Bitumen auf mikroskopischer Skala genau zu verstehen. An der TU Wien stieß man nun durch die Kombination unterschiedlicher Analysemethoden auf überraschende Ergebnisse: Die unterschiedlichen Bestandteile werden von einer Art molekularer Schutzhülle fixiert. Mit dieser Erkenntnis möchte man nun Asphalt haltbarer machen oder sogar alten Asphalt wieder verjüngen.

Rezept für gutes Bitumen: Asphaltene und Maltene

Bitumen ist keine homogene Substanz. Ähnlich wie Milch, bei der kleine Fetttröpfchen in einer wässrigen Umgebung verteilt sind, besteht Bitumen aus verschiedenen Komponenten. Wie gut sich die unterschiedlichen Bestandteile vermischen können, hängt zu einem großen Teil von ihrer Polarität ab. Bei stark polaren Molekülen ist die elektrische Ladung nicht gleich verteilt, sie haben ein positiv und eine negativ geladene Seite.

„Die Asphaltene beinhalten die polarsten und größten Moleküle im Bitumen“, erklärt der Chemiker Florian Handle, der diese Zusammenhänge in seiner Dissertation genau untersucht hat. „Um sie herum findet man viele aromatische Moleküle, die weniger stark polar und meist etwas kleiner sind.“

Wie die einzelnen Komponenten im Bitumen verteilt sind, kann man mit unterschiedlichen Methoden untersuchen. An der TU Wien wurde das Bitumen mit Laserstrahlen beleuchtet, manche der Komponenten werden damit zum Fluoreszieren angeregt. „Mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie wird abgebildet, an welchen Orten sich fluoreszierende Moleküle aufhalten. Die Fluoreszenzeigenschaften von Stoffgruppen oder einzelnen Molekülen können mittels Fluoreszenzspektroskopie untersucht werden. Kombiniert man diese beiden Informationen so erhält man einen klaren Blick in die Chemie und Mikrostruktur des sehr komplizierten Materials Bitumen“, sagt Florian Handle.

Was leuchtet hier eigentlich?

„Bisher dachte man, für die Fluoreszenz seien die Asphaltene verantwortlich, oder vielleicht auch bestimmte Wachse“, sagt der Chemiker Prof. Hinrich Grothe vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Wir haben die Komponenten nun allerdings voneinander getrennt und erstaunlicherweise festgestellt, dass nicht die Asphaltene fluoreszieren.“ Wie sich herausstellt, werden die Asphaltene im Bitumen nämlich von einer Schicht aromatischer Verbindungen umgeben – und sie sind die Hauptursache für die Fluoreszenz.

Dass sich diese aromatischen Verbindungen wie eine Schale um die wenige Mikrometer kleinen Asphalten-Einschlüsse legen, spielt für die Eigenschaften des Bitumens eine wichtige Rolle. „Dieser Schutzmantel ist letztlich dafür verantwortlich, dass Bitumen und Asphalt rissfest, dehnbar und trotzdem relativ steif ist“, erklärt der Bauingenieur Bernhard Hofko vom Institut für Verkehrswissenschaften (TU Wien). Der aromatische Schutzmantel hat nämlich eine Polarität, der zwischen der Polarität der Asphaltene im Inneren und den anderen Bestandteilen des Bitumens liegt. Dadurch ergibt sich ein sanfterer Übergang, hochpolare und niedrigpolare Moleküle stoßen nicht direkt aneinander, und das hilft der Stabilität des Bitumens.

Verjüngungskur für die Straße?

Wenn der Asphalt altert, kann genau diese Schutzschicht beschädigt werden, etwa durch Oxidation. Der Asphalt verliert dann seine Flexibilität, er wird spröde und brüchig. „Es gibt Versuche, alten Asphalt durch Zugabe bestimmter Substanzen wieder zu verjüngen“, sagt Bernhard Hofko. „Das geschah bisher eher durch Versuch und Irrtum. Wenn wir nun allerdings die Ursachen für die Alterung auf molekularer Ebene kennen, dann können wir gezielt die fehlenden Bestandteile des gealterten Asphalts wieder herstellen.“

Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Materials and Structures“ publiziert und nun zu einem der zehn besten Publikationen des Jahres gewählt – ein deutliches Zeichen, dass die Forschungsarbeit der TU Wien an der Schnittstelle zwischen Bauingenieurwesen und Chemie auch international Aufmerksamkeit erregt. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Damit es beim Löschangriff keine bösen Überraschungen gibt

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Pressemeldung der FH Oberösterreich vom 26.11.2015

Die sogenannte Kavitation ist ein unerwünschtes physikalisches Phänomen in Flüssigkeitsströmungen. Dabei bilden sich im Pumpwasser Dampfblasen, die schlussendlich wieder in sich zusammenfallen und so zu einem Druckabfall führen. Wenn Kavitation bei der Feuerwehr während eines Löschangriffes eintritt, dann kann im schlimmsten Szenario der Wasserstrahl komplett zusammenbrechen. Intuitiv würde der Maschinist daraufhin den Druck erhöhen, was die Situation noch weiter verschlimmert. Der Maschinenbau-Absolvent der FH OÖ in Wels Stefan Höppe hat in seiner Diplomarbeit bei der Firma Rosenbauer International AG Möglichkeiten untersucht, dieses Phänomen auf Basis von Messdaten sicher zu erkennen, damit in Zukunft beim Löschangriff böse Überraschungen ausbleiben.

Damit im Ernstfall Löschwasser mit entsprechendem Druck zur Verfügung steht, verwendet die Feuerwehr leistungsstarke Pumpen. Diese Pumpen saugen Wasser an und fördern es durch den Schlauch Richtung Feuer.

„Unter gewissen Umständen – zum Beispiel bei großen Wasserabgabemengen – können sich in der Pumpe Blasen bilden, die zu einem Druckabfall am Pumpenausgang führen. Man spricht von Kavitation. Im Extremfall kann die Strömung sogar zusammenbrechen. Die intuitive Reaktion eines Maschinisten auf solch einen Druckabfall ist, die Drehzahl der Pumpe zu erhöhen. Wenn Kavitation vorliegt, führt aber genau das zu einem noch größeren Druckabfall“, erklärt Stefan Höppe, der selbst bei der Freiwilligen Feuerwehr Sprinzenstein tätig ist. Aus diesem Grund arbeitet die Firma Rosenbauer International AG gemeinsam mit der FH OÖ in Wels an einem verbesserten Konzept, um Kavitation noch sicherer zu erkennen und dem Maschinisten anzuzeigen.

Automatische Kavitationserkennung

In seiner Diplomarbeit bei der Firma Rosenbauer International AG hat Stefan Höppe Möglichkeiten zur sensorgestützten Kavitationserkennung untersucht. „An einem Prüfstand konnte ich zeigen, dass sich gewisse Messgrößen entscheidend ändern, sobald Kavitation vorliegt“, erklärt der 25-jährige Rohrbacher weiter.

In einer selbst entwickelten Software analysierte er die Messgrößen mit entsprechenden mathematischen Methoden und brach die Frage „Liegt Kavitation vor oder nicht?“ auf ein rotes Signallämpchen herunter. „Leuchtet dieses bei den Löschwasserpumpen auf, so darf die Drehzahl der Pumpe vom Maschinisten nicht erhöht werden“, so der Maschinenbau-Absolvent.

Kavitation nachweisbar gemacht

„Stefan Höppe ist es gelungen, zu zeigen, dass Kavitation grundsätzlich auch direkt detektierbar ist. Wir werden jetzt einen Weg suchen, dieses innovative Konzept praktisch umzusetzen, um auch in diesem Bereich die Innovationsführerschaft der Firma Rosenbauer erneut unter Beweis zu stellen“, freut sich sein Firmenbetreuer DI Hannes Hammer.

„Es hat Spaß gemacht, die modernen maschinenbaulichen Methoden, die ich während meines Studiums im Hörsaal kenngelernt habe, in die Praxis umzusetzen“, fügt Höppe hinzu.

Externer Link: www.fh-ooe.at

App von Saarbrücker Start-up-Unternehmen erleichtert die Suche nach Nebenjobs und Arbeitskräften

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 23.11.2015

Für Studenten ist es oft mühselig, einen Nebenjob zu finden. Kaum hat man eine passende Stelle gefunden, ist sie meist schon vergeben. Ebenso ist es für Arbeitgeber oftmals schwierig, kurzfristig Aushilfskräfte und Minijobber zu finden. Abhilfe könnte hier eine neue App schaffen, die Absolventen der Saar-Uni entwickelt haben. Die Anwendung bringt Jobsuchende und -anbieter in Echtzeit zusammen. Die Saarbrücker Informatiker vermarkten die App „HireMe“ in ihrem Unternehmen Twail. Dabei werden sie nun für ein Jahr mit einem Exist-Stipendium des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie unterstützt.

Als Kellner in einer Kneipe jobben, im Callcenter Telefonanrufe entgegennehmen oder dem Nachbarkind Nachhilfe geben – viele Studenten verdienen sich im Studium mit unterschiedlichen Nebenjobs etwas hinzu. Dabei ist es manchmal gar nicht so einfach, den passenden Job zu finden. Oft sind die Stellen auch schon anderweitig vergeben. Saarbrücker Informatiker bieten für dieses Problem nun eine Lösung an: Sie haben eine App entwickelt, die Jobsuchende und Jobanbieter zusammenbringt. Das Programm vermittelt in erster Linie kurzfristige Arbeitsaufträge unter anderem in der Gastronomie, bei Veranstaltungen, im Verkauf oder der Nachhilfe. „Wir sind damit auf das Bedürfnis von Arbeitgebern eingegangen, wenn sie etwa für eine Veranstaltung kurzfristig Servicekräfte benötigen“, sagt Sebastian Hof, der das Programm gemeinsam mit David Poetzsch-Heffter entwickelt hat. „Jobanbieter erhalten unmittelbar, nachdem eine Bewerbung eingegangen ist, eine Nachricht auf ihrem Smartphone.“

Und wer auf Jobsuche ist, kann sich auf der Plattform ein Profil anlegen, bei dem er individuell auf ihn zugeschnittene Jobvorschläge erhält, sobald diese verfügbar sind. Mit der App können sich Arbeitgeber und -nehmer zudem gegenseitig bewerten. „Auch besteht für Arbeitgeber die Möglichkeit, mit der Favoritenfunktion ihnen bekannte Arbeitnehmer bei einem neuen Job direkt anzusprechen“, so David Poetzsch-Heffter.

Das Start-up-Unternehmen Twail ist eine Ausgründung der Saarbrücker Informatik. Es hat seinen Sitz im Starterzentrum der Universität des Saarlandes. Die jungen Unternehmer haben sich beim Exist-Wettbewerb des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie behauptet und werden nun ein Jahr dabei gefördert, ihre Geschäftsidee auszubauen und weiterzuentwickeln. Die App HireMe möchten die Informatiker mit weiteren Funktionen ausstatten. Darüber hinaus wollen sie weitere ähnliche nutzerfreundliche Angebote entwickeln. Im Saarland ist die App bislang sehr gut angelaufen. Um sie deutschlandweit auf den Markt zu bringen, ist das Startup derzeit auf der Suche nach einem Investor.

Die App HireMe von TWAIL ist kostenlos für alle gängigen Smartphones verfügbar.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Mit Smartphones Hungersnöte vermeiden

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Presseaussendung der TU Wien vom 19.11.2015

Mit einer Datensammel-App am Smartphone und Satellitendaten soll künftig prognostiziert werden, ob eine bestimmte Region von Nahrungsmittelknappheit und Mangelernährung bedroht ist. Die neue Methode wurde nun in der Zentralafrikanischen Republik getestet.

Mangelernährung kann unterschiedliche Ursachen haben, und nicht alle sind einfach vorherzusehen. Dürre und Missernten lassen sich oft schon frühzeitig prognostizieren, indem Wetter und Bodenfeuchte beobachtet werden. Doch andere Risikofaktoren, etwa sozio-ökonomische Probleme oder gewaltsame Konflikte, können die Nahrungsmittelsicherheit ebenso gefährden. Für Organisationen wie Ärzte ohne Grenzen/Médecins Sans Frontières (MSF) ist es ganz entscheidend, so früh wie möglich zu erfahren, in welchen Regionen sich Probleme abzeichnen. Nur so kann rechtzeitig  Hilfe geleistet werden.

Ein Forschungsteam der TU Wien und des International Institute for Applied Systems Analysis (IIASA) in Laxenburg konnte nun eine Methode entwickeln, mit der man Nahrungsmittelsicherheit mit Hilfe einer Smartphone-App überwachen kann. Die App kombiniert Wetter- und Bodenfeuchtedaten, die mit Hilfe von Satelliten gemessen werden, mit einem Crowd-Sourcing-Ansatz. Durch Befragungen werden sozioökonomische Daten erhoben und die Gefahr von Mangelernährung prognostiziert. Tests in der Zentralafrikanischen Republik haben bereits vielversprechende Resultate erbracht, sie wurden nun im Fachjournal PLOS ONE publiziert.

Erster Schritt: Satellitendaten

„Seit Jahren entwickeln wir Methoden, um die Feuchtigkeit des Bodens aus Satellitendaten zu berechnen“, sagt Markus Enenkel vom Department für Geodäsie und Geoinformation der TU Wien. Satelliten tasten die Erdoberfläche mit Mikrowellenstrahlen ab. Aus den Ergebnissen kann man dann auf den Wassergehalt des Bodens schließen. Wenn man die Messergebnisse mit Datenbanken über langjährige Bodenfeuchte-Verhältnisse vergleicht, lässt sich eine Aussage darüber treffen, ob der Boden in einer bestimmten Region ausreichend feucht ist, oder ob dort die Gefahr einer Trockenheit besteht.

„Die Methode funktioniert gut und liefert uns wichtige Information. Aber Daten über mangelnde Bodenfeuchte genügt nicht, um die Gefahr von Mangelernährung einzuschätzen“, sagt IIASA-Forscherin Linda See. „Wir brauchen auch Information über andere Faktoren, die einen Einfluss auf das lokale Nahrungsangebot haben.“ So können etwa politische Unruhen die Bevölkerung davon abhalten, ihre Felder zu bestellen, auch wenn die Wetterbedingungen gut sind. Solche Probleme lassen sich nicht vom Satelliten aus erkennen. Die Forschungsgruppe musste daher eine Möglichkeit finden, die nötigen Daten direkt in den meistgefährdeten Regionen zu sammeln.

„Smartphones sind heute sogar in weniger entwickelten Ländern verbreitet. Daher beschlossen wir, die App SATIDA COLLECT zu entwickeln, die uns dabei hilft, die nötigen Daten zu sammeln“, sagt App-Entwickler Mathias Karner (IIASA). Für den ersten Test wurde die Zentralafrikanische Republik ausgewählt – eines der gefährdetsten Länder der Welt, das unter chronischer Armut und gewaltsamen Konflikten leidet und nur über wenig Widerstandskraft gegenüber  Katastrophen verfügt. Lokale Unterstützungskräfte wurden einen Tag lang eingeschult und sammelten anschließend Daten, indem sie zahlreiche Interviews führten.

„Wie oft essen die Leute? Wie hoch ist die aktuelle Rate von Mangelernährung? Haben irgendwelche Familienmitglieder in letzter Zeit die Region verlassen? Ist jemand gestorben? Antworten auf diese Fragen verwenden wir, um statistisch auszuwerten, ob die Region in Gefahr ist“, sagt Candela Lanusse, Ernährungsberaterin von „Ärzte ohne Grenzen“. „Manchmal sind unreife Früchte alles, was die Leute zu essen haben, manchmal essen sie das Saatgut, das sie eigentlich für das nächste Jahr aufbewahrt hatten. Manchmal müssen sie Vieh verkaufen, danach fehlt wertvolle Milch, was dann die Gefahr von Ernährungsproblemen noch verschärft. Solche Verhaltensweisen können schon Monate vor einer großen Krise ein Indikator für Probleme sein.“

Eine Karte der Mangelernährungs-Gefahr

Der digitale Fragebogen von SATIDA COLLECT kann an lokale Ernährungsgewohnheiten angepasst werden. Die Antworten und die dazugehörigen GPS-Koordinaten werden nach jeder Befragung lokal am Smartphone gespeichert. Wenn eine Internetverbindung verfügbar ist, werden die Daten auf einen Server hochgeladen und können dann gemeinsam mit der satellitenbasierten Bodenfeuchte und anderen Daten analysiert werden, um das Risiko der Mangelernährung abzuschätzen. Am Ende wird eine Landkarte des Ernährungsrisikos erstellt, die gefährdete Gebiete sichtbar macht. Für Ärzte ohne Grenzen sind solche Karten extrem wertvoll. Sie helfen, künftige Aktivitäten zu planen und Hilfe zur Verfügung zu stellen, sobald sie benötigt wird.

„Das Tool in der Zentralafrikanischen Republik zu testen, war nicht einfach“, berichtet Markus Enenkel. „Die politische Situation dort ist kompliziert. Doch selbst unter diesen Bedingungen konnten wir zeigen, dass unsere Technologie funktioniert. Wir konnten wertvolle Information sammeln. SATIDA COLLECT hat das Potenzial, ein wirkungsvolles Frühwarnsystem zu werden. Es mag Krisen vielleicht nicht verhindern, aber es wird NGOs jedenfalls dabei helfen, durch frühes Eingreifen ihre Auswirkungen zu mildern. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
PLOS ONE, 18.11.2015

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Mit Nanobodies aus Kamelen lässt sich das Organwachstum untersuchen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 09.11.2015

Forscher am Biozentrum der Universität Basel haben eine neue Untersuchungsmethode mit Nanobodies entwickelt. Mit dem sogenannten «Morphotrap» konnte nun erstmals in der Fruchtfliege die Funktion des Morphogens Dpp, das für das Flügelwachstum eine wichtige Rolle spielt, bestimmt werden. Auch zukünftig lässt sich die Methode für viele weitere Untersuchungen zum Organwachstum einsetzen. Die Ergebnisse der Studie sind jetzt im Fachjournal «Nature» publiziert.

Zwei grundlegende Prozesse, die die Organentwicklung steuern, sind das Grössenwachstum und die Regulation der räumlichen Form. Die Forschungsgruppe von Prof. Markus Affolter am Biozentrum der Universität Basel hat nun die Methode «Morphotrap» entwickelt, mit der sie die Entwicklung des Flügels in der Fruchtfliege untersuchten.

Ihre Ergebnisse zeigen, dass das Signalmolekül Dpp, ein sogenanntes Morphogen, das Grössenwachstum im Zentrum der Imaginalscheibe des Flügels, nicht aber das Wachstum der peripheren Bereiche beeinflusst. Es ist das erste Mal, dass zu einer solchen Untersuchung ein Anti-GFP-Nanobody erfolgreich eingesetzt wurde. Diese Methode ermöglicht auch zukünftig neue Untersuchungen zur Organentwicklung.

Neue Methode «Morphotrap»: Nanobodies visualisieren Grössenwachstum

Nanobodies sind kleinste Antikörperfragmente, die von Kamelen gewonnen werden, und mit deren Hilfe sich Moleküle im lebendigen Organismus greifbar machen lassen. Bei der Methode «Morphotrap» setzen die Wissenschaftler um Affolter Anti-GFP-Nanobodies ein. Diese Nanobodies ermöglichen es, die Funktionen von GFP-markierten Proteinen im lebenden Organismus schneller und gezielter zu untersuchen als mit herkömmlichen Methoden.

«Diese Anti-GFP-Nanobodies halten das Morphogen Dpp an unterschiedlichen Stellen im Flügel zurück, so dass sich der Einfluss von Dpp auf das Wachstum erkennen und verändern lässt», erklärt Stefan Harmansa, Erstautor der Studie.

Morphogen Dpp reguliert Grössenwachstum im Zentrum der Imaginalscheibe

Um den Einfluss des Morphogens Decapentaplegic (Dpp) genauer zu bestimmen, untersuchte Affolters Gruppe die Flügelscheibe der Fruchtfliege, genauer gesagt die Imaginalscheibe. Diese ist das Vorläufergewebe des erwachsenen Fliegenflügels und dient als Modell für Untersuchungen zur Organentwicklung.

«Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Morphogen Dpp lediglich für das Wachstum im Zentrum der Imaginalscheibe eine Rolle spielt. Die peripheren Bereiche wachsen auch dann, wenn wir Dpp daran hindern, in diese Regionen vorzudringen», so Harmansa. «Mithilfe des GFP-Nanobodies konnten wir nun erstmals aufzeigen, inwieweit das Morphogen Dpp die Flügelgrösse mitbestimmt und haben so eine der beiden vorherrschenden Theorien auf diesem Gebiet widerlegt», sagt Harmansa.

Dass sich GFP-Nanobodies so erfolgreich für Untersuchungen in komplexen Lebewesen einsetzen lassen, ist eine grosse Errungenschaft. Auch für zukünftige Forschungsprojekte möchte Affolter die Methode nun verwenden: «Wir werden in einem nächsten Schritt untersuchen, wann das Morphogen Dpp zeitlich wirkt. Die Korrelation zwischen dem räumlichen und zeitlichen Einfluss von Dpp wird uns neue Erkenntnisse über das Organwachstum und vielleicht auch über mögliche Gründe für Störungen in diesem Prozesse liefern», so Affolter.

Originalbeitrag:
Stefan Harmansa, Fisun Hamaratoglu, Markus Affolter & Emmanuel Caussinus
Dpp spreading is required for medial but not for lateral wing disc growth
Nature (2015), doi: 10.1038/nature15712

Externer Link: www.unibas.ch