Empfindliche Quantenteilchen: Wichtiges Phänomen der Quantenphysik mit etablierten Messverfahren messbar

Presseaussendung der Universität Innsbruck vom 21.03.2016

Innsbrucker Physiker haben eine neue Methode entwickelt, mit der relativ einfach ermittelt werden kann, ob Teilchen miteinander verschränkt sind. Die nun in der Fachzeitschrift Nature Physics präsentierte Methode ist vor allem für den Nachweis von Quantenverschränkung in großen Teilchensystemen interessant und könnte helfen, Messverfahren präziser zu machen und Materie besser zu verstehen.

Verschränkung ist ein quantenphysikalisches Phänomen, das nicht nur Albert Einsteins Phantasie anregte – er sprach von einer möglichen „spukhaften Fernwirkung“ –, sondern für die Entwicklung von Quantentechnologien eine entscheidende Ressource darstellt. Viele im Labor erforschte Quantenanwendungen beruhen auf dieser Eigenschaft, durch die ein System aus mehreren Teilchen nicht mehr als Kombination unabhängiger Teilchenzustände, sondern nur als gemeinsamer Zustand beschrieben werden kann. Quantenverschränkung ist allerdings nicht einfach nachzuweisen – vor allem, wenn viele Teilchen involviert sind. „Kleine Teilchenensemble können heute im Labor sehr genau kontrolliert werden, und damit lässt sich auch die Verschränkung relativ einfach bestimmen“, sagt der Innsbrucker Quantenphysiker Philipp Hauke. „Sind viele Teilchen miteinander verschränkt, wird eine solche Messung extrem aufwändig bis unmöglich, weil der Aufwand mit der Zahl der Teilchen exponentiell ansteigt.“ Philipp Hauke und Peter Zoller vom Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben nun gemeinsam mit Markus Heyl von der Technischen Universität München und Luca Tagliacozzo vom Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Barcelona einen neuen Weg gefunden, wie gewisse Aspekte der Vielteilchenverschränkung bestimmt werden können – und dies unabhängig von der Größe des Systems und mittels Standardmessmethoden.

Empfindlichkeit als Maß für Verschränkung

„Bei komplexeren Systemen mussten bisher sehr, sehr viele Messungen durchgeführt werden, um ein Maß für die Verschränkung zwischen vielen Teilchen zu erhalten“, sagt Philipp Hauke. „Unsere Methode umgeht dieses Problem und kann selbst für die Bestimmung von Verschränkung in makroskopischen Objekte angewendet werden, für die es bisher kaum Möglichkeiten gab.“ Die Wissenschaftler können dazu im Labor bereits etablierte Messverfahren verwenden. Dies haben die Theoretiker in der nun in der in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Arbeit an mehreren Beispielen explizit gezeigt. So kann die Verschränkung von vielen, in einem optischen Gitter gefangenen Teilchen mittels Laserspektroskopie gemessen werden. Bei Festkörpern kann dafür die ebenfalls seit langem etablierte Messung der Neutronenstreuung eingesetzt werden. Aus den Messdaten lässt sich nach der Innsbrucker Methode die Quanten-Fisher-Information ermitteln, die als verlässlicher Indikator für die Verschränkung von Vielteilchensystemen gilt. Sie ergibt sich aus der Empfindlichkeit eines dynamischen Systems, die durch den Vergleich einzelner Messungen bestimmt werden kann. „Wenn ich zum Beispiel eine Probe durch ein zeitlich veränderliches Magnetfeld bewege, kann ich aus den Messdaten ermitteln, wie empfindlich diese Probe auf das Magnetfeld reagiert und erhalte über unsere Methode dann ein Maß für die interne Verschränkung“, erklärt Philipp Hauke.

Vielfältige Anwendungen

Quantenmetrologie, also auf quantenmechanischen Eigenschaften basierende Messmethoden, sind ein wichtiges Anwendungsgebiet dieser Methode. Denn nun lassen sich die Quanteneigenschaften makroskopischer Messsonden einfacher charakterisieren. Aber auch für Quantensimulationen, mit der Quanteneigenschaften in physikalischen Systemen nachgebildet werden, ist Verschränkung eine zentrale Ressource. Auch hier eröffnet das Innsbrucker Verfahren neue Perspektiven. Und in der Festkörperphysik könnte es dazu dienen, die Rolle quantenmechanischer Verschränkung bei komplexen Phasenübergängen zu untersuchen.

Finanziell unterstützt wurden diese Forschungen unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und dem Europäischen Forschungsrat ERC.

Externer Link: www.uibk.ac.at

Quantenkommunikation im Weltall

Pressemeldung der Universität Wien vom 17.02.2016

Erste Quantenkommunikation zwischen Österreich und China

Der Countdown läuft: Das quantenphysikalische Experiment „Quantum Experiments at Space Scale“ (QUESS) eines Teams von ForscherInnen der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften tritt in die entscheidende Phase ein. Gelingen der Transport einer speziellen Sendestation ins All und die Quantenkommunikation mit der Erde, ist der nächste Meilenstein auf dem Weg zu sicherer Quantenkryptographie und Quanteninternet erreicht.

Ein österreichisch-chinesisches Team von ForscherInnen rund um den Wiener Quantenphysiker Anton Zeilinger und seinen chinesischen Kollegen Jian-Wei Pan hat zur Erforschung der „spukhaften“ Fernwirkung miteinander verschränkter Lichtteilchen das nächste große Quantenexperiment im Visier. Nach mehrjährigen Vorbereitungsarbeiten wird Mitte 2016 ein chinesischer Forschungssatellit mit einer Quanten-Sendestation in den Weltraum starten: Sie wird verschränkte Lichtteilchen aus dem erdnahen Weltraum zu Bodenstationen wie der „Satellite Laser Ranging Station“ am Observatorium Lustbühel in Graz und dem „Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope“ in Wien schicken – und damit das weltweit erste orbital-planetare Quantennetzwerk in Betrieb nehmen.

Wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quanteninternet

Die beteiligten ForscherInnen des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), der Universität Wien sowie der University of Science and Technology of China der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erhoffen sich von dem Projekt „Quantum Experiments at Space Scale“ (QUESS) zweierlei: Das Experiment soll einerseits Klarheit schaffen, ob der Zustand der quantenphysikalischen Verschränkung von Photonen auch über Distanzen von mehr als 1.000 Kilometern aufrecht bleibt. Andererseits soll die Verschränkung mittels bestimmter Protokolle der Quantenkommunikation die Erzeugung und den Austausch kryptographischer Schlüssel erlauben und damit ein Modell für vollständig abhörsichere Datenverbindungen über bisher unerreichte Distanzen liefern.

Denn beim quantenphysikalischen Phänomen der Verschränkung bleiben zwei Lichtteilchen über theoretisch beliebige Distanzen miteinander verbunden. Misst man den Zustand eines der beiden Photonen, kennt man augenblicklich auch den Zustand des anderen. Würde sich ein Dritter in diesen Informationsfluss einschalten, würde sich der Zustand beider Photonen unwiderruflich ändern, sodass die Information verloren ginge. Dadurch ist ein Abhören von Quantenkommunikation praktisch unmöglich.

„Das Projekt hat das Potenzial, neue Grundlagen zu etablieren“, ist Anton Zeilinger überzeugt. „Wir sprechen dabei nicht nur von einer neuen Dimension der Überprüfung fundamentaler quantenphysikalischer Erkenntnisse, sondern auch von einem entscheidenden Schritt in der Entwicklung des Quanteninternets“, betont der Physiker. Quantenkommunikation, also der Austausch verschränkter Lichtteilchen, war zwischen zwei Punkten auf der Erdoberfläche bisher nur über begrenzte Strecken möglich. Den gegenwärtigen Rekord von 144 Kilometern haben ebenfalls Zeilinger und sein Team aufgestellt. Mit einem Quantennetzwerk unter Einbindung von orbitalen Stationen als Relais könnte der Abtausch von Sicherheitsschlüsseln zwischen beliebig weit voneinander entfernten Bodenstationen realisiert werden – beispielsweise eben auch zwischen Europa und China. Für die Entwicklung des Quanteninternets ist das von großer Bedeutung, um die Kommunikation zwischen unterschiedlichsten Datenknotenpunkten auf der Welt über Satelliten durchführen zu können.

Erste Quantenkommunikation zwischen Österreich und China

Mit den beiden Bodenstationen in Graz und Wien stehen die ersten Knotenpunkte in diesem Quantennetz in Österreich. Das Wiener „Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope“ wird gemeinsam von den Quantenphysik-Einrichtungen der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften betrieben. „Die Quantenphysik ist eines der Stärkefelder der Universität Wien. Ein Vorzeigebeispiel dafür, dass österreichische WissenschafterInnen auch unter hohem internationalen Wettbewerb auf weltweit beachtetem Topniveau forschen“, so Rektor Heinz W. Engl. „Die Kooperation zwischen der Universität Wien, der Österreichischen und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften stellt sicher, dass auch in Zukunft bahnbrechende Erfolge in diesem Forschungsfeld von Wien ausgehen werden.“

Auch der Quantenphysiker Jian-Wei Pan, der kürzlich mit dem Breakthrough of the Year 2015 geehrt wurde und derzeit Vizerektor der University of Science and Technology of China ist, hebt die Bedeutung der österreichischen Teleskope für das Gelingen des Projekts hervor: „Die optischen Bodenstationen in Österreich sind essentiell für eine der Missionen unseres quantenphysikalischen Satellitenprojekts, nämlich für den interkontinentalen Austausch von Quantenschlüsseln zwischen Beijing, Wien und Graz.“ Während im Rahmen der internationalen Kooperation die chinesischen WissenschafterInnen die Sendeeinheit entwickelten und deren Transport in den Orbit übernehmen, konzentrierten sich die österreichischen Partner auf die Entwicklung der Bodenstationen. Eine gelungene Zusammenarbeit, wie Jian-Wei Pan betont: „Wir freuen uns sehr, dass die Vorbereitung der österreichischen Bodenstationen so hervorragend verläuft und sie bereit sind, die Kalibrierungsmessungen mit unserem Prototyp zu beginnen.“

Dem Start des Satelliten gegen Jahresmitte sehen die Partner in China und Europa dennoch mit Spannung entgegen, denn trotz der guten Vorbereitung sind die technischen Herausforderungen enorm: angefangen von der hohen Geschwindigkeit des Satelliten, die große Anforderungen an die Nachführgenauigkeit der Sende- und Empfangsstationen stellt, bis hin zur kosmischen Strahlung, welche die empfindlichen Geräte an Bord des Satelliten beeinflussen kann. Doch Jian-Wei Pan ist von dem Experiment überzeugt, denn: „Wenn man Neues in der Physik entdecken möchte, muss man bisherige Grenzen überschreiten. Und wir wollen herausfinden, ob sich die quantenphysikalische Verschränkung von Teilchen tatsächlich über beliebige Distanzen erstrecken kann.“

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Oberflächenphysik: Wie das Wasser tanzen lernt

Presseaussendung der TU Wien vom 21.12.2015

Wassermoleküle, die im Kreis tanzen – an der TU Wien wurden die komplizierten Vorgänge auf der Oberfläche einer wichtigen Materialsorte entschlüsselt.

Perowskite sind Materialien, die in Batterien, in Brennstoffzellen oder auch in elektronischen Bauteilen verwendet werden, aber auch in der Natur als Mineral vorkommen. Obwohl sie technologisch so wichtig sind, weiß man über das chemische Verhalten ihrer Oberfläche bis heute sehr wenig. Dem Team von Prof. Ulrike Diebold (Institut für Angewandte Physik, TU Wien) gelang es nun allerdings mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopen und Computerberechnungen eine alte Frage zu klären: Wie verhalten sich Wassermoleküle, die sich auf den Perowskit-Oberflächen anlagern? Nicht nur die äußersten Atome an der Oberfläche, sondern auch tieferliegende Strukturen spielen dabei eine wichtige Rolle. Die Ergebnisse wurden nun im Fachjournal „Nature Materials“ veröffentlicht.

Perowskit zerlegt Wassermoleküle

„Wir studierten Strontium-Ruthenat, einen ganz typischen Vertreter aus der Materialklasse der Perowskite“, sagt Ulrike Diebold. Es handelt sich um eine Kristallstruktur aus Sauerstoff, Strontium und Ruthenium. Die äußerste Schicht wird (wenn man den Kristall in der richtigen Richtung spaltet) nur von Strontium und Sauerstoff-Atomen gebildet, das Ruthenium befindet sich darunter, eingesperrt in eine Box aus Sauerstoff-Atomen.

Wassermoleküle, die auf diese Oberfläche auftreffen, werden in zwei Teile zerlegt: Eines der der Wasserstoffatome wird dem Molekül entrissen und von einem Sauerstoffatom der Kristalloberfläche festgehalten. Übrig bleibt eine OH-Gruppe, die durch eine sogenannte Wasserstoff-Brückenbindung an das entrissene Wasserstoffatom gebunden bleibt.

Genau diese Bindung ist die Ursache für einen merkwürdigen Effekt: Die OH-Gruppe kann sich nicht frei bewegen. Sie hüpft rund um das Wasserstoffatom herum, von Atom zu Atom, wie ein Tänzer, der mit einem Bein immer am selben Ort bleiben muss und bloß mit dem anderen verschiedene Schritte ausprobiert. „Aufgrund von theoretischen Berechnungen wurde dieser Effekt schon vor einigen Jahren vorhergesagt, wir sind nun die ersten, die das experimentell bestätigen konnten“, sagt Ulrike Diebold. Sie und ihr Team verfügen über langjährige Erfahrung im Abbilden atomarer Prozesse mit Rastertunnelmikroskopen. Wenn man eine bestimmte Region der Kristalloberfläche über längere Zeit immer wieder abbildet, kann man den Tanz der Atome auf der Oberfläche tatsächlich mitfilmen.

Musterbildung: Vom Einzeltänzer über Paarbindung zur Polonaise

Wenn man mehr Wasser auf die Oberfläche aufbringt kann es passieren, dass zwei Tänzer aufeinandertreffen. Dann müssen die OH-Gruppen ihren Tanzschritt ändern: „Die OH-Gruppe kann sich nur dann ungehindert im Kreis bewegen, wenn keiner der unmittelbar benachbarten Plätze besetzt ist“, sagt Florian Mittendorfer, der die Rechnungen gemeinsam mit seinem Dissertanten Wernfried Mayr-Schmölzer durchgeführt hat. Wenn man ein zweites Wassermolekül danebensetzt, hört die Bewegung auf – so als würden einander zwei Tanzpartner treffen und plötzlich eng umschlugen am selben Ort bleiben.

Solche Paare bilden sich allerdings nur an ganz bestimmten Stellen der Oberfläche – und das obwohl die oberste Schicht aus regelmäßig, symmetrisch angeordneten Sauerstoff und Strontium-Atomen besteht und somit alle Stellen gleichwertig sein sollten. Der Grund liegt an der Struktur unmittelbar unterhalb der Oberfläche: hier verbergen sich Oktaeder aus Sauerstoffatomen mit einem Ruthenium-Atom in der Mitte. Diese Oktaeder sind jedoch nicht alle gleich ausgerichtet, sondern ein bisschen zueinander verdreht – abwechselnd im und gegen den Uhrzeigersinn. Dadurch wird die Symmetrie der Oberfläche gebrochen und bestimmte Stellen für die Paarbildung bevorzugt. „Zunächst bilden sich Paare, dann entstehen ganze Ketten, die immer dichter werden, bis fast die ganze Oberfläche bedeckt ist.“ Was als Einzeltanz begann und zu Paarbindung führte endet bei zunehmender Konzentration von Wassermolekülen als große, geordnete Struktur, vergleichbar mit einer Polonaise, bei der viele Tanzpaare wohlgeordnet hintereinander aufgereiht sind.

Allerdings muss auch bei diesem Prozess an irgendeinem Punkt Schluss sein: Wenn alle Plätze besetzt sind, kann kein zusätzlicher Tänzer mehr auf der Tanzfläche untergebracht werden. „Wenn ein Wassermolekül auf eine Stelle trifft, an der ringsherum bereits alle Plätze von dissoziiertem Wasser besetzt sind, dann kann dieses neue Molekül nicht auch noch von der Oberfläche dissoziiert werden“, erklären die Forscher. Das Wassermolekül bleibt dann ganz, es adsorbiert molekular.

Die neuen Methoden, die vom Forschungsteam an der TU Wien entwickelt und angewandt werden, haben die Oberflächenforschung entscheidend verändert. War man früher auf indirekte Messungen angewiesen, kann man heute – mit dem nötigen Know-How – das Verhalten der einzelnen Atome auf der Oberfläche direkt abbilden und beobachten. Für die moderne Materialforschung eröffnet das ganz neue Möglichkeiten, beispielsweise für die Entwicklung und Verbesserung von Katalysatoren. (Florian Aigner)

Originalpaper:
Adsorption of Water at the SrO Surface of Ruthenates, Nature Materials

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Forschungsprojekt IFasO: An der Weltspitze angekommen

Presseinformation der TH Deggendorf vom 21.10.2015

Wissenschaftler am Technologie Campus Teisnach ziehen äußerst positive Bilanz zum Ende des Forschungsprojekts IFasO

„SPECULOOS“ ist ein großes internationales Weltraum-Projekt, bei dem das Universum nach bewohnbaren Planeten erforscht wird. Dabei setzt die ESO (European Southern Observatory) am Berg Paranal in Chile bei vier neuen Teleskopen auf Spitzentechnologie und Know-how aus dem Bayerischen Wald. Die Spezialspiegel für diese extrem leistungsfähigen und genauen Teleskope werden am Technologie Campus der Technischen Hochschule Deggendorf in Teisnach im Rahmen des Forschungsprojekts IFasO hergestellt. Im Mittelpunkt steht dabei die UPG 2000, die größte und modernste Optikmaschine der Welt.

Zum Ende der 5-jährigen IFasO-Projektphase ziehen die Wissenschaftler am TC Teisnach jetzt eine sehr positive Bilanz und blicken optimistisch in die Zukunft. Man habe den Sprung in die Spitze der weltweiten Hersteller für Teleskopspiegel geschafft und könne das bisher vom Bayerischen Wissenschaftsministerium geförderte Forschungsprojekt zuversichtlich als eigenständiges Unternehmen weiterführen.

IFasO – Das Forschungsprojekt

Von Anfang an waren die Ziele beim Forschungsprojekt IFasO der Technischen Hochschule Deggendorf am Technologie Campus Teisnach hoch gesteckt: ein eigenes Verfahren zur Herstellung hochgenauer optischer Teleskopspiegel für die Weltraumforschung zu entwickeln, um damit in die Spitze der weltweiten Spiegelhersteller für Riesenteleskope vorzudringen. Projektinitiatoren waren Prof. Dr. Peter Sperber, Präsident der THD, Prof. Dr. Rolf Rascher, Leiter des TC Teisnach und Projektkoordinator Dipl.-Ing. Lutz Küpper. Den Bedarf für das neue Verfahren erkannten sie anhand weltweiter Produktionsengpässe für Teleskopspiegel mit Lieferzeiten von mehreren Jahren.

Gefördert vom Bayerischen Wissenschaftsministerium wurde ab dem Jahr 2010 gemeinsam mit der Firma OptoTech aus Wetzlar die UPG 2000, die modernste und größte Optikmaschine der Welt konzipiert, entwickelt und gebaut. Allein die Anlieferung der 85 Tonnen schweren Maschine im Oktober 2012 in Teisnach sorgte deutschlandweit für Schlagzeilen. Schon im April 2014 konnte das IFasO-Team den ersten einsatzfähigen Teleskopspiegel an die Firma ASTELCO Systems aus Martinsried bei München ausliefern. Dem vorangegangen war nach der Montage die intensive Verfahrensentwicklung, bei der die hohe Komplexität des Gesamtsystems eine große Herausforderung für die Wissenschaftler darstellte. Immerhin ist die UPG 2000 die einzige Optikmaschine der Welt, bei der sämtliche Arbeitsschritte – Schleifen, Polieren und Messen – durchgeführt werden können, ohne dass der Spiegelrohling umgelagert werden muss. Dies führt zu einer erheblichen Zeitersparnis, ohne dabei auf höchste Qualität verzichten zu müssen.

Direkt im Anschluss erfolgte im Rahmen eines Großauftrags der Bundesregierung die Fertigung eines sogenannten „Off-Axis-Spiegels“. Für das IFasO Projektteam um Lutz Küpper war das die bisher größte technische Herausforderung: „Im Teleskopbau können durch Verwendung von Off-Axis-Spiegeln sehr viel leistungsfähigere und kleinere Teleskope entstehen, was natürlich gerade bei Weltraumteleskopen wichtig ist. So ein Spiegel ist nicht mehr symmetrisch. Die Fläche kann nur erzeugt werden auf Basis einer mathematischen Formel und es bedarf eines sehr anspruchsvollen Aufbaus, um so eine Fläche überhaupt messen zu können. Den Nachweis unserer Möglichkeiten haben wir erbracht und dafür sehr gute Noten bekommen. Das macht bereits die Runde und führt zu weiteren Anfragen“, berichtet Küpper. So ist man jetzt auch in Kontakt mit AIRBUS, wo man sich im Bereich Luft- und Raumfahrttechnik regelmäßig über die Fortschritte am TC Teisnach unterrichten lässt. Mit großem Interesse verfolgt man laut Küpper bei AIRBUS momentan auch den Stand der derzeit laufenden Spiegelherstellung für das Projekt „SPECULOOS“ am Paranal in Chile. Den Auftrag zum Bau von vier Teleskopen hat die ESO der Firma ASTELCO Systems erteilt. Bei der Fertigung der benötigten acht Spiegel vertraut man bei ASTELCO Systems erneut auf das Know-how der IFasO-Wissenschaftler am TC Teisnach. Die Übergabe des ersten Teleskops soll bereits Anfang 2016 stattfinden. Neben den technischen Herausforderungen sind auch die finanziellen Dimensionen für Lutz Küpper nicht unerheblich. Über genaue Kundenbelange könne er selbstverständlich nicht sprechen, grundsätzlich könne man aber sagen, dass Spiegel im Durchmesserbereich von 1 bis 1,5 Meter im sechsstelligen Euro Bereich liegen können, je nach Qualität, Form und Material. Mit diesem Großauftrag und dem auslaufenden Förderprogramm endet das IFasO-Forschungsprojekt zum Jahresende. Ab 2016 geht die Erfolgsstory mit der von Lutz Küpper gegründete IFasO GmbH aber weiter.

„Für mich ist dieses Projekt das Musterbeispiel für die Umsetzung von angewandter Hochschulforschung in eine anschließende Firmenausgründung“, erklärt THD-Präsident Prof. Dr. Peter Sperber stolz. „Die Idee wurde aus der Anregung von Teleskopbauern heraus entwickelt. Obwohl viele angebliche Experten anfangs die Bedeutung nicht erkannt und die Machbarkeit bezweifelt haben, hat das Wissenschaftsministerium und hier namentlich Herr Ministerialdirigent Dr. Zeitler an uns geglaubt und die Förderung ermöglicht. Dadurch und durch die engagierte Arbeit der Projektmitarbeiter hat Deutschland jetzt wieder Zugang zur Technologie der Herstellung komplexer und hochgenauer Teleskopspiegel, Bayern ist hier jetzt wieder europäischer Technologieführer“, so Prof. Sperber.

IFasO – Die Zukunft

Aufgrund der guten Auftragslage wird das Forschungsprojekt IFasO ab 2016 eigenständig von der IFasO GmbH mit Lutz Küpper als Geschäftsführer weitergeführt. Alle Mitarbeiter können übernommen werden. Laufende Aufträge bestehen bis Mitte 2016, die in Vorbereitung befindlichen Aufträge reichen bereits bis in das Jahr 2017 hinein. Wie jeder andere Mieter zahlt die IFasO GmbH dann für die Räumlichkeiten im TC Teisnach Raummiete an den Gebäudeinhaber OZB. Auch für die künftige Nutzung der Optikmaschine ist dann Miete an die Hochschule zu bezahlen. Was die künftige Ausrichtung angeht steht für Geschäftsführer Küpper klar fest, dass es ein Schnell und Billig nicht geben wird, außerdem wirft man auch erste Blicke in Richtung Satellitenforschung: „Unsere Fertigung ist nicht konzipiert für kostengünstige Massenware. Unsere Stärken liegen da, wo Mitbewerbern die Möglichkeiten fehlen, das sind komplizierte, schwer herstellbare Geometrien und große Durchmesser, auch über 2m. Außerdem weiten wir unsere Forschungen auch auf besonders leicht strukturierte Spiegel für den Einsatz in Satelliten aus.“

Trotz dieser großen Pläne vergisst der Geschäftsführer der IFasO GmbH aber nicht, allen jenen zu danken, die in den vergangenen Jahren zum großen Erfolg des Forschungsprojekts beigetragen haben: “Mein größter Dank gilt meinem langjährigen Kollegen und Freund Dieter Rohr, der unsere lange berufliche Zusammenarbeit auf dieses Vorhaben übertragen hat. Ohne ihn und später auch das gut zusammenwirkende Team (Majid Salimi, Karlheinz Penzkofer, Julia Küpper und Johannes Liebl) hätte IFasO niemals diesen Verlauf genommen. Für ihr, auch in schwierigen Phasen, ungebrochenes Vertrauen in unsere Arbeit danke ich der Teisnacher Bürgermeisterin Rita Röhrl, dem Präsidenten der Technischen Hochschule Prof. Dr. Peter Sperber und dem Leiter des Technologie Campus Teisnach Prof. Dr. Rolf Rascher. Der ganz große Dank aller Beteiligten gebührt Ministerialdirigent Dr. Zeitler, der sich nach bereits erfolgter Ablehnung des Projekts massiv für eine Genehmigung eingesetzt hat und dafür selbst einen steinigen Weg beschreiten musste. „Herr Dr. Zeitler, Ihr Einsatz hat Früchte getragen und dafür danken wir Ihnen sehr herzlich.“

Externer Link: www.th-deg.de

Leuchtender Wegweiser zum Auto

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.10.2015

In der neuen BMW 7er Reihe erleichtert ein Lichtteppich in Form eines strahlenförmigen Lichtmusters den Einstieg bei Dunkelheit. Fraunhofer-Forscher haben dazu spezielle Mikrooptiken entwickelt, die das Licht vom Fahrzeugboden gezielt auf den Einstiegsbereich lenken.

Der Abend im Restaurant war unterhaltsam, es ist spät geworden. Leider ist der Parkplatz nur schlecht beleuchtet – doch der Fahrer weiß sich zu helfen: Einen Knopf am Autoschlüssel gedrückt, und schon breitet sich vor dem Einstiegsbereich seines Wagens ein strahlenförmiger Lichtteppich aus.

Das Designelement gehört zur Ausstattung der neuen BMW 7er Reihe und basiert auf speziellen Mikrooptiken des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena. »Dank dieser spezifisch konstruierten Mikrooptiken wird es möglich, das Licht von der Unterseite des Fahrzeugs aus strahlenförmig auf eine etwa vier Quadratmeter große Fläche beidseitig vor den Einstiegsbereich zu projizieren«, erklärt Dr. Andreas Bräuer, Abteilungsleiter für Mikrooptische Systeme am IOF. Ganz neu ist der leuchtende Wegweiser nicht: Auch andere Automobilhersteller arbeiten bereits an einem entsprechenden Feature für Oberklasse-Fahrzeuge. Bei den bisherigen Lösungen wurde die Leuchte allerdings entweder im Außenspiegel oder in der Tür montiert. Das Problem: Bei der Integration in den Spiegel bewegt sich das Lichtbild bei Türöffnung weg von dem Bereich, den es eigentlich ausleuchten soll. Bei der Integration in die Türunterseite kann bei geschlossenen Türen kein Licht den Boden erreichen.

Anders der Lichtteppich im BMW: Dort ist das Lichtmodul im Bereich der Fahrertür an der Schwelle zum Fahrzeugboden angebracht. Wie aber ist es dann möglich, das Licht quasi um die Ecke auf den Einstiegsbereich zu lenken? »In unserer Mikrooptik projizieren Mikrolinsen das Licht gezielt auf die gewünschte Fläche«, erläutert Dr. Peter Schreiber vom IOF, der die Entwicklungsarbeiten zum Projekt betreut. Ursprünglich ging es den Jenaer Wissenschaftlern darum, winzige und dennoch lichtstarke digitale Projektoren zu bauen, wie man sie beispielsweise im Smartphone benötigt. Physikalisch ist das ein Widerspruch – denn je kleiner die Projektoren werden, desto weniger Licht wird ausgestrahlt. Die Lösung der IOF-Experten und Expertinnen: Sie bauen die Projektoren zwar extrem klein, ordnen dann aber viele dieser Winzlinge in einem Array – einer wabenförmigen Struktur – an. »Wir können die Lichtstärke anpassen, indem wir die Anzahl dieser Mikroprojektoren verändern. Egal ob wir dann 150, wie beim BMW Lichtteppich, oder 3000 Projektoren verwenden: Die Dicke des Arrays bewegt sich auf jeden Fall im Millimeterbereich«, sagt Bräuer.

Projektionslinsen können einzeln angeordnet werden

Ein Nebeneffekt dieser Art von Arraybeleuchtung erwies sich für die Entwicklung des Lichtteppichs als entscheidend: Die Projektionslinsen, die das Licht einfangen und dann als Abbild auf eine Fläche projizieren, lassen sich einzeln und individuell zur Lichtquelle anordnen. Man kann also die Abbilder der einzelnen Linsen aus unterschiedlichen Positionen genau übereinanderlegen. »Auf diese Weise projizieren wir selbst bei extrem flachen Beleuchtungswinkeln ein hochwertiges und lichtstarkes Bild. Diese Lichttechnik und deren erstmalige Applikation im BMW Welcome Light Carpet ermöglichen somit ein neues Nachterscheinungsbild der BMW 7er Reihe«, so Marcel Sieler, BMW Entwickler, der ebenfalls aus dem Team des IOF stammt. Für die Anwendung im Automobil konstruierten die IOF-Wissenschaftler ein 10×10 mm² großes Mikrooptik-Bauteil, das mit einem Deckglas versehen ist. Um das empfindliche Modul während der Fahrt gegen Steinschlag zu schützen, wird es mit der Öffnung gegen die Fahrtrichtung am Unterboden des Fahrzeugs verbaut. Auch kleinere Verschmutzungen auf dem Frontglas sind dank der speziellen Optik kein Problem: Da es sich mit den vielen Einzelprojektoren um eine mehrkanalige Beleuchtung handelt, wird die Helligkeit zwar unter Umständen etwas verringert, das Licht wird jedoch nie komplett abgedeckt.

In der neuen BMW 7er Reihe ist der Lichtteppich mittlerweile serienmäßig enthalten. »Damit haben wir mit unserer Entwicklung erstmalig einen Volumenmarkt erreicht«, freut sich Bräuer. Doch das Forscherteam hat auch neue Einsatzgebiete im Blick: »Die Anwendungsmöglichkeiten einer solchen Arraybeleuchtung sind extrem breit gefächert und reichen von Beleuchtungslösungen für die Sicherheits- und Medizintechnik über den Maschinenbau bis hin zu klassischen Signalleuchten«, so der Wissenschaftler.

Externer Link: www.fraunhofer.de