Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Mai 2010

Übermalte Wandgemälde galten lange Zeit als unwiederbringlich verloren. Denn herkömmliche Verfahren eignen sich selten, um die verborgenen Werke schonend sichtbar zu machen. Mit Terahertz-Strahlen wollen Forscher die Malereien jetzt zerstörungsfrei »enthüllen«.

Viele Kirchengemälde bleiben der Nachwelt verborgen, weil sie im Lauf der Jahrhunderte übermalt wurden. Vor allem im 16. Jahrhundert verdeckten reformatorische Bilderstürmer die religiösen Wandmalereien. Doch auch in späterer Zeit wurden diese oftmals übermalt, und so überlagern heute mehrere Schichten die künstlerischen Fassungen unterschiedlicher Epochen. Mechanische Freilegungsmethoden bergen die Gefahr, das Originalwerk zu beschädigen. Auch die jüngeren, ebenfalls erhaltenswerten Schichten und Bilder über dem Original müssten zerstört werden. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff und Strahltechnik IWS in Dresden haben es sich jetzt zum Ziel gesetzt, die Werke mit einer zerstörungsfreien Untersuchungsmethode sichtbar zu machen. Dabei setzen die Experten auf die Terahertz-Strahlung (THz). In dem Projekt »TERAART« – gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF – arbeiten sie mit der TU Dresden, dem FIDA Potsdam und der Hochschule für Bildende Künste Dresden zusammen.

»Wir nutzen die THz-Strahlung, weil sie den Putz und die Tünche durchleuchten kann, selbst wenn diese Schicht relativ dick ist. Anders als beispielsweise UV-Strahlung ist die THz-Strahlung nicht schädlich für das Kunstwerk. Infrarotstrahlen kommen für unser Vorhaben nicht in Frage, ihre Eindringtiefe ist zu gering. Auch Mikrowellen sind keine Alternative, da sie unter anderem nicht die nötige Tiefenauflösung erreichen,« erläutert Dr. Michael Panzner, Wissenschaftler am IWS. Für die Untersuchungen wurde ein mobiles, überall einsetzbares System entwickelt. Es besteht aus einem Scanner mit zwei Messköpfen, der die Wand kontaktfrei abfährt. Ein Messkopf sendet die Strahlung aus, der andere empfängt die reflektierten Strahlen. Unterstützung bekamen die Forscher dabei vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM, das die angepasste THz-Komponente aufbaute.

»Zum Erzeugen der THz-Strahlung verwenden wir einen Femtosekundenlaser mit dem Bauprinzip eines Faserlasers. Das von uns verwendete Verfahren der THz-Zeitdomänenspektroskopie nutzt die mit dem Femtosekundenlaser erzeugten, kurzen elektromagnetischen Pulse mit einer Dauer von ein bis zwei Picosekunden. Jede Schicht und jedes Pigment reflektiert diese Pulse anders, so dass sowohl ein Bildkontrast als auch eine Tiefeninformation gewonnen werden kann,« sagt Panzner. »Die Messergebnisse geben beispielsweise Auskunft über die Dicke der Schichten, um welche Pigmente es sich handelt und wie die Farben angeordnet sind. Eine eigens entwickelte Software setzt die Messergebnisse zu einem Bild zusammen, das die Struktur der verborgenen Malereien anzeigt.«

An einer Testwand, auf der Bilder verschiedener Farbtypen mit Tünche übermalt wurden, ist es den Wissenschaftlern bereits gelungen, die Strukturen der verdeckten Malereien zu enthüllen. Im nächsten Schritt steht der Praxistest in einer Kirche an. Die Experten sind zudem sicher, mit der THz-Strahlung auch krebserregende Biozide an und in Kunstobjekten aus Holz oder Textilien nachweisen zu können. »Denkmalschützer dürften ein großes Interesse an unserem ‚Körperscanner für Kunstwerke‘ haben,« ist Panzner überzeugt.

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Presseinformation der Fraunhofer-Gesellschaft vom 14.04.2010

Ein kleines Blutlabor für die Jackentasche, das vor einem Langstreckenflug rasch die Gefahr eines Blutgerinnsels in den Beinen analysiert, oder ein Sensorarmband, das Elektrosmog messen kann und Patienten mit Herzschrittmachern vor lebensbedrohlicher Strahlung warnt – »intelligentes Plastik« kann dies möglich machen. Daran arbeiten Forscher am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in München.

Jährlich erkranken in Deutschland etwa 80 000 Menschen am Verschluss eines Blutgefäßes durch ein Blutgerinnsel. Solche Thromben können eine Lungenembolie oder einen Schlaganfall auslösen. Von der tiefen Beinvenenthrombose können auch Passagiere von Langstreckenflügen betroffen sein. Mit dem neuen System ließe sich künftig einfach untersuchen, ob ein Verdacht auf eine Reisethrombose vorliegt oder nicht. Der Fluggast müsste nur einen Tropfen Blut auf das Messgerät geben. Die Besonderheit des winzigen Lap-on-Chip: Das System ist aus Kunststoff aufgebaut und lässt sich kostengünstig auf Folie herstellen. Damit wäre es möglich, preiswerte Einweg-Diagnosesysteme zu fertigen. Noch sind solche kleinen Analysesysteme Zukunftsmusik. Im EU-Projekt »diagnosing dvt« entwickeln Forscher aus acht europäischen Ländern wichtige Grundlagen für das Labor auf dem Plastik-Chip.

»Das Beispiel macht die Möglichkeiten der Polytronik deutlich. Eine am Menschen orientierte vernetzte Welt, Stichwort Ambient Assisted Living, braucht preiswerte, multifunktionale, allgegenwärtige Systeme. Um die dafür erforderliche Infrastruktur aufzubauen, müssen sich elektronische Systeme in großen Stückzahlen kostengünstig auf großen Substraten fertigen lassen. Und das wäre mit der Polymerelektronik möglich«, sagt Prof. Dr. Karlheinz Bock, Leiter der Abteilung »Polytronische Systeme« am IZM. Polytronik oder Polymerelektronik ist eine Schlüsseltechnologie, die Kunststoffe und Elektronik zusammenführt. Ein großer Vorteil ist die einfache und kostengünstige Herstellung: Die Polymermaterialien lassen sich lösen und dann wie elektronische Tinte durch Druckverfahren strukturiert auf flexible Folien aufbringen. »Damit können wir kleine, handliche und einfach bedienbare Systeme bauen, die vor allem kranken und älteren Menschen das Leben erleichtern«, erläutert Bock.

An der Entwicklung des Diagnosesystems für tiefe Venenthrombose arbeiten acht führende europäische Forschungsinstitute und High-Tech-Firmen. Das Herzstück des künftigen Analysegerätes, ein Lab-on-Chip, wurde am IZM gebaut und getestet. Es ist eine kleine, hochpräzise gefertigte Einweg-Kartusche, mit deren Hilfe ein Blutstropfen biochemisch untersucht wird. Sie besteht aus einer 3 mm dicken, 22 mm breiten und 70 mm langen Polykarbonatplatte und vereinigt zwei wesentliche Komponenten des Gerätes: das wichtigste Bauteil – eine 150 Mikrometer dünne Folie, auf der ein filigranes Netzwerk aus Leiterbahnen und Sensoren aus Gold zur Blutanalyse aufgebracht ist, sowie 120 Mikrometer tiefe Fluidkanäle, die das Blut zu den Analyseelementen leiten. In den Sensoren sind die Antikörper auf Nanoelektroden integriert, mit denen sich die Konzentration von Blutgerinnungsmarkern bestimmen lässt. Ist sie erhöht, besteht die Gefahr, dass sich ein Thrombus, ein Blutgerinnsel, bildet.

Nicht nur für thrombose-gefährdete Passagiere auf Landstreckenflügen oder Schlaganfallpatienten, sondern auch für Raucher, Schwangere oder Übergewichtige kann dieses System ein wichtiger Lebensbegleiter sein. Sie müssten nicht mehr tagelang auf das Laborergebnis warten, das sie darüber aufklärt, ob sich im Blut Gerinnsel gebildet haben. Wie beim Zuckertest würde ein Tropfen Blut der Patienten auf der Einweg-Kartusche genügen, die der Arzt in ein handliches kleines Lesegerät steckt. Innerhalb von ein paar Minuten kann er auf dem Display das Ergebnis ablesen – und, wenn nötig, sofort entsprechende Maßnahmen ergreifen. Das EU-Projekt zur Machbarkeit des Systems läuft bis Mitte diesen Jahres.

Zur Dauerüberwachung verschiedener wichtiger Körperfunktionen vor allem von älteren Patienten, aber auch von Sportlern eignet sich das Sensorarmband, das ebenfalls am IZM entwickelt wurde. Es gleicht einer Armbanduhr aus Plastik. Anstelle eines Ziffernblatts ist das Sensorarmband mit einem leuchtenden Elektroluminiszenz-Display ausgestattet, das zu jeder Tageszeit zum Beispiel die aktuelle Körpertemperatur anzeigt. Es misst auch die Hautfeuchte, die ein Hinweis darauf sein kann, dass der Patient oder Sportler zu wenig getrunken hat. Das Patientenarmband kann auch Menschen mit Herzschrittmacher auf mögliche Gefährdungen aufmerksam machen und sie über die Stärke elektrischer oder elektromagnetischer Felder in der nächsten Umgebung informieren. Viele weitere Anwendungen sind denkbar: Auf der polytronischen Plattform können nach Bedarf verschiedenste Sensoren integriert werden.
 
Technisch gesehen ist das Sensorarmband eine Kombination aus Polymer- und klassischer Elektronik. Auf Folien gedruckte Leuchtelemente, Sensoren und polymere Widerstände sind hierbei mit integrierten Schaltungen aus Silizium in ein System zusammengefügt. Eine drei Mikrometer dünne Resonanzschaltung mit einer geätzten Spule, eine Art winziger Antenne, erfasst den Elektrosmog. Ein Interdigitalkondensator, auf Folie aufgebracht und nur 30 Mikrometer dick, ermittelt die Hautfeuchte. Kammartig eng ineinandergelegte Mäander aus nur 0,5 Mikrometer dünnem Kupferbahnen messen die Körpertemperatur.

»Das Sensorarmband demonstriert das Potenzial, das in der auf Folien montierten, flexiblen Elektronik steckt«, erläutert Prof. Bock. Die winzigen Sensoren und die optischen Funktionen werden durch eine Kombination von drucktechnischen und lithographischen Verfahren auf die Folien aufgebracht. Das Sensorarmband ebenso wie das Diagnosegerät für tiefe Beinvenenthrombose lassen sich sowohl als Folieneinzelblätter wie auch durch Rolle-zu-Rolle-Produktion in größeren Stückzahlen kostengünstig herstellen.

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Januar 2010

Mikroelektronische Chips, die Drücke messen, sind sehr empfindlich. Eine neue Technologie macht Drucksensoren jetzt robuster: Sie funktionieren auch noch bei Temperaturen von bis zu 250 Grad Celsius – damit eignen sie sich zum Beispiel auch für die Förderung von Erdöl.

Langsam fräst sich der Bohrkopf tief unter die Erde und arbeitet sich durch das Gestein. Dutzende von Sensoren messen dabei unter anderem den Druck und überprüfen die Porosität. Die Bedingungen dabei sind extrem: Neben Schlägen und Vibrationen müssen die Sensoren hohen Drücken und Temperaturen standhalten. Die Sensoren senden die Daten an die Oberfläche – für Geologen, die beispielsweise Erdölvorkommen suchen, eine große Hilfe.

Ein Problem: Die Drucksensoren halten im Schnitt nur Temperaturen von 80 bis 125 Grad Celsius aus – doch in großen Tiefen ist es oft wesentlich heißer. Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg schafft Abhilfe: Die Forscher haben ein Drucksensorsystem entwickelt, das auch bei 250 Grad Celsius noch voll funktionsfähig ist. »Die Drucksensoren bestehen aus zwei Komponenten, die sich auf einem mikroelektronischen Chip oder Wafer befinden«, erklärt Dr. Hoc Khiem Trieu, Abteilungsleiter am IMS. »Die erste Komponente ist der Sensor selbst, die zweite das EEPROM.« Dieser Baustein speichert alle gemessenen Werte sowie Daten für die Kalibrierung. Damit der Drucksensor auch unter extrem hohen Temperaturen funktioniert, haben die Entwickler den Wafer modifiziert. Normalerweise sind Wafer Scheiben aus monokristallinem Silizium. Doch in diesem Fall setzten die Wissenschaftler auf Siliziumoxid. »Die zusätzliche Oxidschicht sorgt für eine bessere Isolation«, sagt Trieu. »Sie verhindert Leckströme, die bei besonders hohen Temperaturen auftreten und dafür sorgen, dass herkömmliche Sensoren ab einer gewissen Temperatur versagen.« Durch die Oxidschicht konnten die Forscher die Isolation der Speicher um drei bis vier Größenordnungen verbessern. Theoretisch könnten die Drucksensoren auf diese Weise bis zu 350 Grad Celsius ertragen – praktisch nachgewiesen haben die Experten eine Stabilität bis zu 250 Grad, weitere Untersuchungen bei höheren Temperaturen sollen nun folgen. Zudem analysieren die Forscher die Prototypen der Drucksensoren in Langzeittests.

Das Anwendungsspektrum ist breit: Die Ingenieure wollen die Hoch-temperatur-Drucksensoren nicht nur in der Petrochemie, sondern auch in Automotoren einsetzen oder für die Geothermie nutzen.

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