Quantenkommunikation im Weltall

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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.“

Externer Link: www.univie.ac.at

Die Kraft der Sonne chemisch gespeichert

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Presseaussendung der TU Wien vom 15.02.2016

An der TU Wien wurde eine neuartige photo-elektrochemische Zelle entwickelt, mit der man die Energie von UV-Licht bei hohen Temperaturen chemisch speichern kann.

Die Natur macht es vor: Pflanzen können Sonnenlicht auffangen und chemisch speichern. Dieses Kunststück auf großtechnischer Skala nachzumachen, gelingt uns heute aber noch nicht besonders gut. Photovoltaik wandelt das Licht direkt in Strom um, aber bei hohen Temperaturen nimmt der Wirkungsgrad konventioneller Solarzellen deutlich ab. Wenn man den Strom zur Gewinnung von Wasserstoff nutzt, kann man die Energie chemisch speichern, doch die Effizienz dieses Prozesses ist begrenzt.

An der TU Wien wurde nun ein neues Konzept entwickelt: Durch die Auswahl ganz spezieller Materialien gelang es, Hochtemperatur-Photovoltaik mit einem elektrochemischen Element zu kombinieren. Damit kann man UV-Licht nutzen, um Sauerstoffionen durch eine keramische Elektrolytmembran zu pumpen – so wird die Energie des UV-Lichts chemisch gespeichert. In Zukunft soll man mit dieser Methode Wasser mit Sonnenlicht direkt in Wasserstoff und Sauerstoff spalten können.

Hochtemperatur-taugliche Materialien

Schon als Student hatte Georg Brunauer immer wieder darüber nachgedacht, wie man Photovoltaik und elektrochemische Speicherung kombinieren könnte. Allerdings müsste ein solches System bei hohen Temperaturen funktionieren. „Dann könnte man nämlich das Licht der Sonne mit Spiegeln konzentrieren und große Anlagen mit hohem Wirkungsgrad bauen“, sagt Brunauer. Gewöhnliche Solarzellen funktionieren allerdings nur bis etwa 100°C gut – in einem Solarkonzentrator-Kraftwerk würden viel höhere Temperaturen entstehen.

Bei der Arbeit an seiner Dissertation gelang es Brunauer dann, einen Lösungsansatz für dieses Problem umzusetzen – und zwar mit einer ungewöhnlichen Wahl von Materialien. Anstatt silizium-basierter Photovoltaik wurden spezielle Mischmetalloxide vom Typ Perovskit verwendet. Durch die Kombination mehrerer verschiedener Metalloxide konnte eine Zelle hergestellt werden, die Hochtemperatur-Photovoltaik und Elektrochemie vereint. Neben dem Team von Prof. Karl Ponweiser, Brunauers Dissertationsbetreuer am Institut für Energietechnik und Thermodynamik, waren auch noch andere Forschungsgruppen der TU Wien am Projekt beteiligt: Das Elektrochemie-Team von Prof. Jürgen Fleig (Chemische Technologien und Analytik) sowie das Atominstitut der TU Wien.

Erst Spannung erzeugen, dann Ionen pumpen

„Unsere Zelle besteht aus zwei verschiedenen Teilen – nämlich aus einem oberen photoelektrischen und einen unteren elektrochemischen Teil“, sagt Georg Brunauer. „In der oberen Schicht werden durch Beleuchtung freie Ladungsträger erzeugt, genau wie in einer gewöhnlichen Solarzelle.“ Die Elektronen werden allerdings sofort wegtransportiert und auf die untere Seite der elektrochemischen Zelle geleitet. Das führt dazu, dass Sauerstoffatome dort negativ aufgeladen werden und dann durch die untere Schicht der Zelle hindurchwandern können.

„Das ist der entscheidende photoelektrochemische Schritt, der in weiterer Folge dann die Grundlage für Wasserzerlegung und Wasserstoffproduktion sein soll“, erklärt Brunauer. Die Vorstufe dazu – eine mit UV-Licht angetriebene Sauerstoff-Pumpe, funktioniert bereits und liefert bei 400°C eine Leerlaufspannung von bis zu 920 Millivolt.

Die Arbeiten zur Photo-elektrochemischen Festoxidzelle wurden nun im Fachjournal „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht. Damit ist die Forschung freilich noch nicht abgeschlossen: „Weiterführende Arbeiten sind wichtig, um den Effekten phänomenologisch auf den Grund zu gehen und damit das Material noch weiter optimieren zu können“, sagt Brunauer. Wenn die elektrische Leistung noch etwas gesteigert wird, lässt sich mit der Zelle Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspalten. „Dieses Ziel ist in Griffweite, jetzt wo wir bewiesen haben, dass das Grundprinzip funktioniert“, sagt Georg Brunauer. Nicht nur zur Wasserstoffproduktion eignet sich das neue Konzept; man könnte auch CO2 aufspalten und daraus CO in Hinblick für Kraftstoffsynthesen gewinnen.

Patente und Firmengründung

Damit die neue Erfindung den Sprung vom Universitätslabor in die Umsetzung eines Prototyps schafft, hatte Georg Brunauer unteranderem mit einem Industriepartner das Startup-Unternehmen NOVAPECC gegründet. Gemeinsam mit der TU Wien wurden Patente angemeldet, dabei wurde Brunauer vom Forschungs- und Transfersupport der TU Wien unterstützt. Auch vom Inkubatorprogramm INiTS wurde das Projekt unterstützt. Gefördert wurde das Projekt außerdem durch ein Brückenschlagprogramm der Forschungsförderungsgesellschaft FFG. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

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

Mikroreaktor statt Tierversuch

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.02.2016

Europaweit arbeiten Forscher an Messverfahren, mit denen sich schädliche Nebenwirkungen von Medikamenten ohne Tierversuche bewerten lassen. Viele dieser alternativen Methoden aber bereiten noch Probleme. In einem europäischen Verbundprojekt wurde deshalb ein Mikrobioreaktor entwickelt, in dem sich Leberzellproben sehr gut kultivieren lassen. Anders als im Tierversuch kann man damit erstmals live mitverfolgen, wie eine Substanz auf das Gewebe wirkt.

Die Zahl der Tierversuche in der Forschung soll künftig deutlich verringert werden. So hat die Europäische Union mit der EU-Kosmetikverordnung 2013 unter anderem den Handel von Kosmetika verboten, deren Inhaltsstoffe mit Hilfe von Tierversuchen geprüft wurden. Doch nicht nur in der Kosmetikindustrie, auch in der medizinischen Forschung fällt der Umstieg auf alternative Verfahren schwer. In vielen Fällen fehlt es an Methoden, um die Giftigkeit von Substanzen zu testen. Zahlreiche Forschergruppen arbeiten an neuen aussagekräftigen Verfahren.

Besonders vielversprechend sind unter anderem Testverfahren mit Leberzellkulturen. Die Leber ist das wichtigste Entgiftungsorgan des Körpers. Daher ist es sinnvoll, die Giftigkeit, die Toxizität, von Substanzen an Leberzellen zu untersuchen. Dazu muss sichergestellt werden, dass alle Zellen gleichmäßig mit den Prüfsubstanzen in Berührung kommen. Zum anderen besteht das Problem, dass Leberzellen in Laborgefäßen meist schon nach wenigen Tagen absterben. Langzeitversuche, bei denen ermittelt wird, wie sich eine giftige Substanz langfristig auf einen Organismus auswirkt, sind damit kaum möglich.

Reaktion der Leberzellen in Echtzeit verfolgen

In dem Projekt »HeMiBio« haben Forscher vom Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI in Potsdam zusammen mit Partnern von der Hebrew University in Jerusalem einen Mikrobioreaktor entwickelt, in dem Leberzellen über einen Zeitraum von einem Monat gehalten und beobachtet werden können. Die Besonderheit besteht darin, dass die Forscher die Reaktion der Leberzellen auf die toxischen Substanzen unmittelbar und live mitverfolgen können. »Sowohl im Tierversuch als auch in herkömmlichen Laborversuchen führt man bislang in der Regel Endpunkt-Messungen durch«, sagt Dr. Claus Duschl, am IZI Leiter der Abteilung Zelluläre Biotechnologie. »Dabei verabreicht man verschiedene Dosen eines Wirkstoffs und analysiert anschließend das abgestorbene Gewebe oder das tote Tier. Wie der Wirkstoff im Detail auf die Zellen wirkt, kann man damit nicht ermitteln.«

Sensoren messen den Sauerstoffverbrauch

Ganz anders der Mikrobioreaktor: Mithilfe winziger Sensoren wird in Echtzeit ermittelt, wie viel Sauerstoff die Leberzellen gerade verbrauchen. Bei angeregtem Stoffwechsel ist der Verbrauch hoch. Stirbt die Zelle ab, sinkt auch der Sauerstoffverbrauch. Zellbiologen können heute an dessen Verlauf sogar ablesen, welche Stoffwechselprozesse zu einem bestimmten Zeitpunkt in Zellen ablaufen. Das machen sich die HeMiBio-Projektpartner zunutze. Gibt man eine toxische Substanz hinzu, nehmen die Sensoren des Mikroreaktors genau wahr, wie sich der Sauerstoffverbrauch verändert. So lässt sich exakt erkennen, welche Stufen im Stoffwechselprozess der Wirkstoff beeinflusst oder unterbricht. »Im Projekt haben wir mit unseren Kooperationspartnern, Zellbiologen von der Hebrew University in Jerusalem, die Vermutungen überprüft, indem genau jene Substanzen ersetzt wurden, deren Produktion durch den Giftstoff blockiert wird«, erläutert Duschl. »Tatsächlich liefen danach die anschließenden Stoffwechselschritte ungestört weiter.«

Eine Aufgabe der Mitarbeiter von Duschl bestand darin, das von vielen kleinen Kanälen durchzogene Reaktorgefäß zusammen mit den Partnern aus Israel zu designen. Dabei mussten sie darauf achten, dass alle Zellen gut mit Nährmedium versorgt werden, damit sie sich fein verteilen und nicht verklumpen. Diese Feinverteilung aber brachte eine Schwierigkeit mit sich: Je feiner die Zellen verstreut sind, umso schwächer sind die Signale, die der Sensor empfängt. »Wir brauchten also eine Sensortechnologie, mit der man sich den Zellen möglichst stark annähern kann, die aber die Zellen andererseits nicht beeinflusst und so die Ergebnisse verfälscht.« Das IZI-Projektteam kam auf die Idee, kleine Polymerpartikel zu verwenden, die mit Farbstoffen versetzt sind. Diese Farbstoffe geben phosphoreszierendes Licht ab: Bestrahlt man die Farbstoffe mit monochromatischem Licht einer LED, werden einzelne Elektronen angeregt und auf ein höheres Energieniveau gehoben. Innerhalb von Sekundenbruchteilen fallen die Elektronen auf das ursprüngliche Energieniveau zurück. Dabei wird die überschüssige Energie als Phosphoreszenzlicht abgegeben. Die Zeit, die die Elektronen für diese Abregung benötigen, hängt direkt von der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung ab. »Der Zeitverlauf der Abregung signalisiert uns also, wie aktiv der Stoffwechsel gerade ist oder wie sich eine toxische Substanz auswirkt.« Das ist nicht zuletzt wichtig, um die Wirkungsweise bestimmter Substanzklassen besser zu verstehen, um einzuschätzen, warum welche Stoffe giftig sind oder auch um Medikamente zu verbessern.

Stoffwechselprozesse nachahmen

Dass der Mikrobioreaktor funktioniert, haben die Kooperationspartner bewiesen. Noch ist aber einiges zu tun. Da in der Leber verschiedene Zelltypen aktiv sind, wollen die Forscher den Reaktor künftig mit verschiedenen Zellen bestücken. »Dadurch können wir die Stoffwechselprozesse noch besser nachahmen«, sagt Duschl. Sogar Gewebe aus verschiedenen Organen könnten einst in einem Reaktor dieser Bauart kombiniert werden. »Bis dahin«, sagt Duschl, »ist es aber noch ein weiter Weg.«

Am Projekt HeMiBio sind auch Forscher vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin beteiligt. Zusammen mit Kollegen aus Belgien entwickeln sie ein weiteres Reaktorformat mit sehr komplexen fluidischen Strukturen. Erste Testmessungen sind im Gange und zeigen vielversprechende Resultate.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Februar 2016

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Engineering: Building with Nature
Marcel Stive (TU Delft) et al.
Start: 29.02.2016 / Arbeitsaufwand: 15-25 Stunden

Externer Link: www.edx.org