Pressemitteilung der Hochschule Coburg vom 01.08.2016

Die Hochschule Coburg beteiligt sich an einem Forschungsprojekt mit dem Nürnberger Stromanbieter N-ERGIE und dem Energie Campus Nürnberg. Das Team unter Leitung von Prof. Dr. Christian Weindl entwickelt Methoden, die Auskunft über den Zustand von Stromkabeln geben können.

Wann hat ein Stromkabel seine maximale Lebensdauer erreicht und muss ausgetauscht werden? Diese Frage ist für Netzbetreiber bedeutsam. Denn idealerweise könnten die Kabel ersetzt werden, bevor sie kaputt gehen.

Die Forscher um Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Weindl, Fakultät Elektrotechnik und Informatik, wollen herausfinden, wie man den Zustand und die Restlebensdauer von Mittelspannungskabeln am besten bestimmen kann. Sie untersuchen insbesondere sogenannte Papier-Massekabel, also Kabel, die mit öl- bzw. massegetränkten Papierschichten isoliert sind.

In einem vorgelagerten Langzeitversuch untersuchte das Forschungsteam die Kabelalterung bereits erfolgreich unter Laborbedingungen. Dabei ließ es Mittelspannungskabel in einem beschleunigten Prozess künstlich altern, um Parameter ableiten zu können, die auf das baldige Lebensende eines Kabels hindeuten.

Gemeinsam mit der Firma Baur Prüf- und Messtechnik GmbH entwickelte das Forschungsteam jetzt einen Kabeldiagnosewagen, den Mitarbeiter der N-ERGIE Service GmbH für erste Untersuchungen nutzen. Bis 2018 werden sie rund 250 Kabelstrecken im Mittelspannungsnetz analysieren. Besonderes Interesse gilt dabei den zahlreichen Mischkabelstrecken, also Kabelstrecken, die in Teilen aus Papier-Massekabeln sowie in Teilen aus neueren Kabeln mit einer Isolierung aus vernetztem Polyethylen (VPE) bestehen. Der Straßenbelag muss für die Feldmessungen an den Erdkabeln nicht aufgerissen werden. Mit dem Diagnosefahrzeug können die Untersuchungen direkt an einem Umspannwerk oder an einer Trafostation durchgeführt werden.

„Die Feldmessungen laufen sehr gut an. Das hochgenaue Messsystem, das wir entwickelt haben, bewährt sich im praktischen Einsatz. Die Ergebnisse liegen in einem Bereich, der die Erkenntnisse unseres Laborversuchs bestätigt“, resümiert Prof. Dr. Weindl.

Das Messsystem besteht aus zahlreichen Komponenten, die im Zuge des Forschungsprojekts entwickelt wurden. Bei Frequenzen von 0,1 und 50 Hertz werden damit die Verlustfaktoren ermittelt, die Aufschluss über den Zustand der Kabelstrecken geben. Die Ergebnisse der Messungen ergänzen die bereits bestehende Datenbank, die mit ihrer großen Zahl an Vergleichswerten den Entscheidungsprozess für einen möglichen Austausch maßgeblich unterstützen wird.

„Die Messungen, die wir derzeit vornehmen, sind ein weiterer Schritt hin zu einem Datenbanksystem, das uns zukünftig die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls besser abschätzen lässt“, sagt Stefan Link, der bei der Main-Donau Netzgesellschaft für das Netzmanagement in der Region Nürnberg zuständig ist.

Das Forschungsprojekt war zunächst an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg angesiedelt und ging nach dem Wechsel von Prof. Weindl an die Hochschule Coburg über.

Externer Link: www.hs-coburg.de

Presseinformation der LMU München vom 13.05.2016

Mit ultrakurzen Lichtblitzen ist es Forschern von LMU und MPQ gelungen, die Anordnung der Atome in Kohlenwasserstoffmolekülen zu manipulieren.

Forscher der LMU und des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik (MPQ) haben mit Licht Kohlenwasserstoffe umgebaut. Dazu lösten sie mit ultrakurzen Laserpulsen eines der äußeren Wasserstoffatome an einem Kohlenwasserstoffmolekül und dirigierten es anschließend auf die gegenüberliegende Seite. Dort dockte das Proton wieder an. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler aktuell in der Fachzeitschrift Physical Review Letters.

Die experimentellen Beobachtungen und ihr grundlegender Mechanismus wurden mittels quantenmechanischer Simulationen der Arbeitsgruppe von Professor Regina de Vivie-Riedle vom Department Chemie der LMU erklärt. Mit einem nur wenige Femtosekunden langen Laserpuls beeinflussten die Physiker um Professor Matthias Kling, Leiter der Arbeitsgruppe Ultraschnelle Nanophotonik an der Fakultät für Physik der LMU, die Schwingungen eines Acetylen-Moleküls: Noch mit dem gleichen Lichtpuls konnten sie das Ablösen eines bestimmten – des linken oder des rechten – Wasserstoffatoms erzwingen. Die Wanderung des Wasserstoffatoms auf die andere Seite fand dann im ionischen Zustand des Moleküls von alleine statt. Es bildet sich Vinyliden. Neben Acetylen haben die Forscher auch Allen, das ebenfalls zur Gruppe der Kohlenwasserstoffe gehört, auf diese Weise umgebaut. Sie konnten damit zeigen, dass ihre Methode auch für längerkettige Kohlenwasserstoffe funktioniert.

Bewegungen von Elektronen und Atomen sind elementare Vorgänge bei chemischen Prozessen in der Natur. Mit Lasertechnologie ist der Mensch heute schon bedingt in der Lage, auf diese Bewegungen Einfluss zu nehmen. „Unsere Experimente haben gezeigt, dass wir nicht nur Elektronen im Mikrokosmos dirigieren können, sondern auch die rund 2000 Mal schwereren Wasserstoffatome“, erklärt Matthias Kling. „Für den zugrunde liegende Mechanismus ist in beiden Fällen die Wellennatur der kontrollierten Teilchen verantwortlich“ erläutert Regina de Vivie-Riedle.

Die Forscher haben es mit ihrem Versuch geschafft, mit Licht Materie neu zu definieren. „Wir hoffen, mit unserer Methode künftig die verschiedensten Arten von Stoffen zerlegen und neu zusammensetzen zu können“, sagt Kling. Eine solche, lichtgesteuerte Synthese von Materie könnte es künftig ermöglichen, ganz neue Stoffe zu erschaffen. Gerade in der Medizin und dem damit verbundenen Design neuer Medikamente ist diese Perspektive reizvoll.

Publikation:
Physical Review Letters 2016

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 12.05.2016

Kollisionsexperimente in Halbleitern erfolgreich

Unser Standardmodell der Elementarteilchen basiert auf Erkenntnissen, die mit Hilfe von Teilchenbeschleunigern und Kollisionsexperimenten gesammelt wurden. Ein Forscherteam der Universitäten in Regensburg, Marburg und Santa Barbara (USA) hat nun einen neuen Beschleuniger für Teilchen in Festkörpern entwickelt. Das revolutionäre Verfahren wird in der neuen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ vorgestellt (DOI: 10.1038/nature17958).

Schon kleine Kinder werfen unterschiedliche Dinge auf- und gegeneinander, um so etwas über die Eigenschaften der Gegenstände zu lernen. Teilchenbeschleuniger nutzen diese Herangehensweise zur kontrollierten Untersuchung der kleinsten Bausteine der uns umgebenden Materie. So beschoss der neuseeländische Physiker Ernest Rutherford bereits Anfang des 20. Jahrhunderts Goldfolien mit Alpha-Teilchen. Aufgrund der Streueigenschaften der Alpha-Strahlung schloss er auf die Struktur des Streuzentrums und fand heraus, dass sich die Masse eines Atoms auf einen kleinen Raum – den Atomkern – konzentriert. Etwa 100 Jahre später kollidieren im Rahmen des bislang größten Experiments der modernen Wissenschaft am Kernforschungszentrum CERN hochenergetische Protonen miteinander, was schließlich zur Entdeckung des sagenumwobenen Higgs-Teilchens geführt hat.

Aufgrund der enormen Teilchenanzahl waren bislang allerdings Verfahren und Methoden zur Nutzung solcher Kollisionsexperimente für die Festkörperphysik unbekannt, obwohl unsere modernen Technologien wesentlich davon abhängen, die strukturellen und elektronischen Eigenschaften von Festkörpern zu verstehen. Gleichwohl kann in einem Festkörper die komplexe Wechselwirkung von Billionen über Billionen von Teilchen auf einzelne Objekte reduziert werden, sogenannte Quasiteilchen.

Einem Team von Physikern um Prof. Dr. Rupert Huber (Universität Regensburg) und Prof. Dr. Mackillo Kira (Philipps-Universität Marburg) ist es nun in Kooperation mit Kollegen aus dem kalifornischen Santa Barbara gelungen, solche Quasiteilchen gezielt miteinander zu kollidieren. Dazu mussten die Forscher extrem schnell vorgehen, denn die Quasiteilchen existieren nur für einen winzigen Augenblick, etwa 10 Femtosekunden lang (1 Femtosekunde ist der millionste Teil einer Millardstel Sekunde), ehe sie durch Stöße mit umliegenden Elektronen unkontrolliert gestört werden und zerfallen.

Dieses Problem umgingen die Forscher mit Hilfe der Terahertz-Hochfeldquelle an der Universität Regensburg. Zunächst erzeugten die Forscher Paare von Quasiteilchen, sogenannte Elektron-Lochpaare, im Halbleiter Wolframdiselenid mit Hilfe eines superkurzen Lichtblitzes. Die gegensätzlich geladenen Quasiteilchen ziehen einander elektrostatisch an und bilden einen atomähnlichen Komplex, den man als Exziton bezeichnet. Das starke, schwingende Lichtfeld aus der Terahertz-Hochfeldquelle trennt die beiden Quasiteilchen zunächst voneinander, um sie anschließend mit hoher Geschwindigkeit wieder miteinander zu kollidieren. Der gesamte Beschleunigungsprozess läuft dabei schneller als eine einzige Lichtschwingung ab. Die Kollisionen führen zu ultrakurzen Lichtblitzen, die wiederum – ähnlich wie in Großforschungsanlagen wie dem CERN – Rückschlüsse auf die Struktur der Quasiteilchen zulassen. Diese Beobachtungen wurden durch quantenmechanische Simulationen der Arbeitsgruppe an der Philipps-Universität Marburg unterstützt.

Die Experimente und Berechnungen der Forscher aus Regensburg, Marburg und Santa Barbara belegen, dass grundlegende Beschleunigerkonzepte aus der Teilchenphysik ebenso für Verfahren in der Festkörperphysik genutzt werden können. Die Experimente bieten neuartige Einblicke in die Eigenschaften von Quasiteilchen und könnten wesentlich zur Lösung einiger der größten Rätsel der modernen Physik wie etwa den Mechanismus der Hochtemperatursupraleitung beitragen. (Alexander Schlaak)

Titel der Original-Publikation:
F. Langer, M. Hohenleutner, C. P. Schmid, C. Poellmann, P. Nagler, T. Korn, C. Schüller, M. S. Sherwin, U. Huttner, J. T. Steiner, S. W. Koch, M. Kira, and R. Huber, Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale, Nature 533, 225-229 (2016)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Presseinformation der LMU München vom 27.04.2016

Wie Bakterien sich teilen, ist bisher nicht vollständig klar. LMU-Physiker zeigen jetzt, dass sich Proteine bei hoher Dichte von selbst zu Ringen zusammenschließen können. Sie schnüren die Mutterzelle ein und teilen sie so in Tochterzellen.

Das Abschnüren besiegelt die Trennung: Bakterien vermehren sich mithilfe eines Proteinrings, der sich in der Zellmitte wie ein Gummiband zusammenzieht und die Mutterzelle in zwei Tochterzellen teilt. LMU-Physiker um Erwin Frey, Inhaber des Lehrstuhls für Biologische und Statistische Physik, haben nun mithilfe von mathematischen Modellierungen untersucht, welche Mechanismen die Entstehung dieses sogenannten Z-Rings steuern. Dabei haben die Forscher einen ganz neuen Mechanismus der Musterbildung entdeckt: Die Simulationen zeigen, dass sich die ringbildenden Proteine von einer gewissen Moleküldichte an von selbst organisieren und zu Ringen zusammenschließen. „Aus biologischer Sicht ist dies hoch interessant, weil es ein völlig neues Licht auf die bisher nicht verstandene Dynamik der bakteriellen Zellteilung wirft“, sagt Frey. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Physical Review Letters.

Der Z-Ring besteht aus sogenannten FtsZ-Proteinen, die sich zu gekrümmten Polymeren zusammenschließen, wie Experimente auf künstlichen Membranen zeigten. Diese Polymere können ihre Position verändern, indem einzelne Proteinbausteine aktiv umverteilt werden: Am Anfang des Proteins werden neue Bausteine angebaut, während am Polymerende Proteine wieder entfernt werden. Durch diesen sogenannten „Tretmühleneffekt“ scheint das Polymer über die Membran zu kriechen. „Unter bestimmten Versuchsbedingungen bilden die Polymere nach einiger Zeit Cluster, die sich zu rotierenden Ringen zusammenschließen“, sagt Jonas Denk, gemeinsam mit Lorenz Huber Erstautor der Studie. „Interessanterweise haben diese Ringe in etwa den Durchmesser einer Bakterienzelle“.

Rotierende Cluster

Den Wissenschaftlern gelang es nun, diesen ungewöhnlichen Effekt mithilfe von mathematischen Modellen zu simulieren, die die Krümmung der Polymere und ihre damit verbundene Kreisbewegung berücksichtigen. Als weiterer Parameter ging in die Simulation ein, dass sich die Polymere gegenseitig abstoßen, es also kein „Übereinanderlaufen“ der Polymere gibt. „Unsere zentrale Frage war, welcher Mechanismus die Bildung der ringförmigen Muster antreibt“, sagt Huber. Die Simulationen haben nun gezeigt, dass die Dichte der Polymere – also die Teilchenzahl – der entscheidende Faktor ist: Sind nur wenige Teilchen vorhanden, gibt es kaum Wechselwirkungen und die einzelnen Polymere bleiben voneinander separiert. Steigt die Teilchenzahl jedoch, kollidieren die Polymere miteinander. Als Folge der Kollisionen und der Kreisbewegung der einzelnen gekrümmten Polymere gruppieren sich die Polymere dann zu Clustern zusammen, die einen dichten rotierenden Ring bilden.

Nach Ansicht der Wissenschaftler legen ihre Ergebnisse nahe, dass auch die Bildung des Z-Rings in Bakterienzellen auf dieser Selbstorganisation der FtsZ-Polymere beruht – dass also die Proteindichte auch in lebenden Zellen die treibende Kraft ist, über die die Zelle die Ringbildung steuert. Ein solches sich selbst antreibendes System wäre ein völlig neuartiger Mechanismus der Ringbildung, der sich grundlegend davon unterscheidet, wie etwa in eukaryotischen Zellen Zellwände abgeschnürt werden: „Dort sind für diesen Prozess bestimmte Motorproteine essenziell, die sich an die Zellwände anheften und richtig ziehen“, sagt Denk. Zusätzlich zu ihrer biologischen Bedeutung seien diese Ergebnisse auch aus mathematisch-physikalischer Sicht hoch interessant, erklärt Huber: „Die Phänomenologie unseres Modells unterscheidet sich stark von konventionellen Klassen angetriebener oder aktiver Teilchen. Seine mathematische Beschreibung führt zu einer verallgemeinerten Version einer komplexen Gleichung, die im Zusammenhang mit Phänomenen wie der bakteriellen Turbulenz und der Musterbildung in allgemeinen, nichtlinearen Systemen eine Rolle spielt.“

Publikation:
Physical Review Letters 2016

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Pressemeldung der Universität Kassel vom 15.04.2016

Physiker der Universität Kassel und der Universität Mainz bauen die kleinste Wärmekraftmaschine der Welt; sie arbeitet mit einem einzelnen Atom.

Das Wissenschaftsmagazin Science berichtet in seiner aktuellen Ausgabe über eine neuartige Wärmekraftmaschine, die mit nur einem einzelnen Atom funktioniert. Es handelt sich um Experimente, die unter Leitung von Univ.-Prof. Dr. Kilian Singer, Leiter des Fachgebiets Experimentalphysik I an der Universität Kassel, noch in seiner Zeit an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) aufgebaut und in Zusammenarbeit mit theoretischen Physikern der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt wurden.

Seit der industriellen Revolution spielen Wärmekraftmaschinen in unserer Gesellschaft eine entscheidende Rolle. Sie wandeln thermische Energie in mechanische Arbeit um, wie zum Beispiel in Fahrzeugen, und sind aus unserem modernen Leben nicht mehr wegzudenken. Gleichzeitig führt die Miniaturisierung zu immer kleineren technischen Geräten.

Die Wissenschaftler um Prof Dr. Kilian Singer nutzen eine sogenannte Paul-Falle, um ein einzelnes, elektrisch geladenes Kalzium-Atom zu speichern. Das Atom kann durch elektrisches Rauschen geheizt und mittels Laserstrahlen gekühlt werden. Dadurch durchläuft es einen thermodynamischen Kreisprozess, vergleichbar mit den Abläufen im Zylinder eines klassischen Motors. Die erzeugte Leistung wird in eine Schwingung des Atoms umgesetzt. Somit spielt das Atom die Rolle des Motors und des Energie-speichers gleichermaßen.

In ausführlichen Messreihen konnten die Physiker das thermodynamische Verhalten des Motors charakterisieren. Wie die Forscher nun in ihrer Veröffentlichung zeigen, liefert der Ein-Atom-Motor eine Leistung von 10-22 Watt und hat eine Effizienz von 0,3 Prozent. Normiert man die Leistung der Einzelatommaschine auf die geringe Masse eines Atoms, ist ihre Leistung vergleichbar mit der eines Automotors. „Durch die Umkehr des Kreisprozesses können wir die Maschine als einatomigen Kühlschrank betreiben und damit gekoppelte Nanosysteme kühlen“, teilt Johannes Roßnagel, Erstautor der Studie, dazu mit.

Besonders wichtig an diesen Forschungen ist aber, dass die Realisierung eines solchen Nanomotors einen Einblick in die Thermodynamik einzelner Teilchen erlaubt, ein hochaktuelles Forschungsgebiet. In Zukunft ist geplant, die Arbeitstemperatur der Maschine weiter abzusenken und thermodynamische Quanteneffekte zu untersuchen. Theoretische Arbeiten haben vorgeschlagen, die Leistung einer Wärmekraftmaschine durch die Kopplung an ein Quantenbad zu steigern. So bieten sich vielfältige Möglichkeiten, über die Paradigmen der klassischen Thermodynamik hinauszugehen und neuartige Motoren zu bauen.

Das Projekt wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Projektes „Einzelionenwärmekraftmaschine“ und durch die Volkswagenstiftung im Rahmen des Projektes „Atomarer Nanoassembler“.

Veröffentlichung:
Johannes Roßnagel et al.
A single-atom heat engine
Science, 15. 4. 2016
DOI: 10.1126/science.aad6320

Externer Link: www.uni-kassel.de