Ein neues Modell für mikromechanische Sensoren

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Presseaussendung der TU Wien vom 17.01.2022

Die Eigenschaften von Flüssigkeiten oder Gasen lassen sich mit winzigen schwingenden Plättchen messen. An der TU Wien entwickelte man dafür nun eine Berechnungsmethode.

Mikromechanische Sensoren verbinden zwei verschiedene Welten miteinander: Auf der einen Seite die Welt der Elektronik und der digitalen Signale, auf der anderen Seite die physisch greifbarere Welt der Mechanik. Den Zusammenhang zwischen diesen Gebieten zu beschreiben ist oft nicht einfach, und so fehlte bisher ein umfassendes Modell, mit dem man winzige Platten oder Balken exakt beschreiben kann, die durch elektrische Effekte zum Schwingen gebracht werden. An der TU Wien gelang es nun, ein solches Modell zu entwickeln – in hervorragender Übereinstimmung mit Messergebnissen. Das ermöglicht nun winzige Sensoren, mit denen man die Eigenschaften von Flüssigkeiten oder Gasen präzise und einfach messen kann.

Flüssigkeiten charakterisieren mit schwingenden Mikro-Platten

Das Schwingungsverhalten der Mikrostrukturen hängt ganz wesentlich von zwei Faktoren ab: Erstens von ihrer Geometrie und zweitens von ihrer Umgebung: Befindet sich die Mikrostruktur etwa in einer zähen Flüssigkeit, dann wird die Schwingung gedämpft und die Schwingungsfrequenz verändert sich.

„Auf diese Weise kann man Veränderungen der Umgebung sehr schnell detektieren“, erklärt Ulrich Schmid. „So könnte man zum Beispiel durch einen mikroelektromechanischen Sensor in einem Ölbehälter überwachen, ob das Öl noch immer die passende Viskosität hat, oder ob es durch Alterung seine Eigenschaften verändert hat und ausgetauscht werden muss.“

Wenn man allerdings das Schwingungsverhalten dieser winzigen Strukturen berechnen möchte, stößt man auf eine Reihe von Schwierigkeiten: Zwar gibt es Rechenmodelle, um die Schwingung von kleinen Balken oder Platten zu beschreiben, allerdings muss diese Schwingung rechnerisch mit dem Verhalten der umgebenden Flüssigkeit oder des umgebenden Gases gekoppelt werden – man muss also Schwingungsmechanik und Fluiddynamik miteinander verbinden.

„Das ist numerisch aufwändig, auch deshalb, weil man es hier mit unterschiedlichen Größenskalen zu tun hat“, sagt André Gesing. „Der Durchmesser der schwingenden Strukturen liegt im Milli- bis Mikrometerbereich, die Amplitude der Schwingungen hingegen im Nanometerbereich. Dieser Unterschied von mehr als drei Größenordnungen ist der Grund, dass herkömmliche Finite-Elemente-Methoden, wie man sie in vielen anderen Forschungsbereichen für die Analyse von Schwingungen einsetzt, hier schnell an ihre Grenzen kommen.“

Neues Modell: vielseitig und präzise

Nun ist es André Gesing, Daniel Platz und Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien gelungen, eine Methode zu entwickeln, die all diese Schwierigkeiten meistert, und noch dazu viel umfassender ist als bisherige Modelle: „Damit kann man Mikrostrukturen unterschiedlicher Form und Größe analysieren, mit unterschiedlich starken Dämpfungen“, sagt Daniel Platz. So lässt sich nun auch vorhersagen, welche Strukturen für welchen Anwendungsfall am vielversprechendsten sind. Experimente zeigen: Das neue Rechenmodell stimmt mit den gemessenen Daten ausgezeichnet überein.

Wichtig sind diese Erkenntnisse nicht nur für die Herstellung von Sensoren, sondern auch für die Rasterkraftmikroskopie: Dort wird die Schwingung extrem feiner Nadeln gemessen um Information über eine Oberfläche zu erhalten, die Punkt für Punkt abgebildet werden soll. Das neue Modell soll nun auch helfen, neue Sensoren für die Rasterkraftmikroskopie zu entwickeln, insbesondere für die Untersuchung von biologischen Proben in Flüssigkeiten. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) von hydraulischen Komponenten. Mikrosensoren können direkt in solche Komponenten integriert werden und so kontinuierlich Daten zur Ölqualität liefern. Auf diese Weise kann man Systemausfälle frühzeitig verhindern und die wartungsbedingte Standzeit minimieren.

„Diese grundlegenden Erkenntnisse, die wir nun gewonnen haben, sind die Basis für die weiteren Ziele, die wir nun verfolgen: Wir wollen nun mikromechanische Sensoren verbessern und ihr Anwendungspotenzial vergrößern“, sagt Daniel Platz. Dabei wird es nicht nur um die Interaktion zwischen der Struktur und den umgebenden Fluiden gehen, sondern auch um die Frage, wie man andere Energieverlustmechanismen auf ein Minimum reduzieren kann. „Auf Basis dieser Untersuchungen wollen wir mikromechanische Sensoren mit sehr hohen Gütefaktoren entwickeln, wie sie zum Beispiel in der Quantensensorik verwendet werden“, sagt Daniel Platz. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
A. Gesing, D. Platz, U. Schmid, A numerical method to determine the displacement spectrum of micro-plates in viscous fluids, Computers&Structures, 260, 106716 (2022).

Externer Link: www.tuwien.at

Magnesium ist essenziell für das Immunsystem, auch im Kampf gegen Krebs

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 19.01.2022

Der Magnesiumspiegel im Blut spielt eine wichtige Rolle dabei, wie gut das Immunsystem Krankheitserreger oder Krebszellen bekämpfen kann: Forschende der Universität und des Universitätsspitals Basel berichten im Fachjournal «Cell», dass T-Zellen ausreichend Magnesium brauchen, um korrekt funktionieren zu können. Die Erkenntnisse sind potenziell wichtig für Krebsbetroffene.

Magnesiummangel hängt mit verschiedenen Erkrankungen wie Infektionen und Krebs zusammen. Aus früheren Studien weiss man, dass sich Krebsgeschwüre schneller im Körper von Mäusen ausbreiten, wenn die Tiere eine magnesiumarme Ernährung erhalten. Auch ihre Abwehrkräfte gegen Grippeviren waren beeinträchtigt. Wie genau dieser Mineralstoff das Immunsystem beeinflusst, war bisher jedoch wenig erforscht.

Forschende um Prof. Dr. Christoph Hess vom Departement Biomedizin der Universität und des Universitätsspitals Basel und dem Departement Medizin der Universität Cambridge haben entdeckt, dass T-Zellen entartete oder infizierte Zellen nur in magnesiumreicher Umgebung wirksam eliminieren können. Konkret spielt Magnesium eine Rolle für die Funktion eines Oberflächen-Proteins der T-Zellen namens LFA-1.

LFA-1 funktioniert als Andockstelle, welche für die Aktivierung von T-Zellen wichtig ist. «Im Ruhezustand ist diese Andockstelle jedoch quasi zugeklappt und kann daher infizierte oder entartete Zellen nicht effizient binden», erklärt Christoph Hess. «Hier kommt das Magnesium ins Spiel: Ist Magnesium in der Umgebung der T-Zellen in ausreichender Menge vorhanden, bindet es an LFA-1 und sorgt dafür, dass das Protein in offener Position verbleibt und somit aktiv sein kann.»

Relevanz für Krebsbetroffene

Die Erkenntnis, dass Magnesium für die Funktion von T-Zellen essenziell ist, hat potenziell grosse Relevanz für moderne Immuntherapien gegen Krebs: Diese zielen darauf ab, das Immunsystem – insbesondere cytotoxische T-Zellen – gegen die Krebszellen zu mobilisieren. Die Forschenden konnten in experimentellen Modellen zeigen, dass die Erhöhung der lokalen Magnesiumkonzentration in Tumoren die Immunantwort der T-Zellen gegen Krebszellen verstärkte.

«Um diese Beobachtung klinisch prüfen zu können, suchen wir nun Wege, die Konzentration von Magnesium in Tumoren gezielt zu steigern», berichtet Christoph Hess. Dass solche Strategien erfolgversprechend sind, zeigen weitere Analysen des Forschungsteams um Hess und seinen Mitarbeiter Dr. Jonas Lötscher, Erstautor der Studie: Anhand von Daten aus bereits abgeschlossenen Studien mit Krebsbetroffenen konnten die Forschenden nachweisen, dass Immuntherapien bei Patientinnen und Patienten mit zu tiefen Magnesiumspiegeln im Blut schlechter wirkten.

Ob eine regelmässige Magnesiumeinnahme allgemein einen Einfluss auf das Krebsrisiko hat, lasse sich aufgrund der bisherigen Daten nicht beantworten, so Lötscher. «Als nächsten Schritt planen wir prospektive Studien, um den klinischen Effekt von Magnesium als Katalysator des Immunsystems zu prüfen.»

Originalpublikation:
Jonas Lötscher et al.
Magnesium sensing via LFA-1 regulates CD8+ T cell effector function.
Cell (2022), doi: 10.1016/j.cell.2021.12.039

Externer Link: www.unibas.ch

Im Kampf gegen den Klimawandel und die Pandemie

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 05.01.2022

25 Neugründungen und rund 390 Millionen Franken eingeworbenes Kapital: So lautet die Spin-​off-Bilanz im Jahr 2021. Schnellere Corona-​Tests, künstliche Korallenriffe und eine automatisierte Insektenzucht haben ihren Weg in die Wirtschaft gefunden. Der Anteil an Firmengründerinnen ist deutlich gestiegen.

Die 25 ETH-​Spin-offs aus dem letzten Jahr zeigen aufs Neue, wie ETH-​Wissen innovative Ansätze für globale Herausforderungen liefert und dabei die Schweizer Wirtschaft ankurbelt. Die meisten Jungfirmen wollen – unter anderem mit digitalen Methoden – die Medizin voranbringen oder den Klimawandel bekämpfen.

Schnelle Bluttests und Knochenplatten aus dem 3D-​Drucker

Stark vertreten sind die neuen Spin-​offs in der medizinischen Diagnostik. Hemetron beispielsweise hat sich den Bluttests verschrieben, die heute bei der Mehrheit der medizinischen Diagnosen eingesetzt werden. Die Firma hat ein handliches Gerät entwickelt, das schnell und zuverlässig zum Beispiel Herzinfarkte voraussagen oder eine Covid-​19-Erkrankung erkennen kann. Unter anderem auf das Pandemievirus zielt auch das Spin-​off Diaxxo ab: Es bietet einen zuverlässigen PCR-​Test, der das Ergebnis bereits innerhalb von zehn Minuten anzeigt. In einem ganz anderen Bereich der Medizin innoviert CustomSurg. Das ETH-​Spin-off setzt auf 3D-​gedruckte, massgeschneiderte Knochenplatten, die Knochenbruchpatienten und Chirurginnen gleichermassen das Leben erleichtern.

Andere Spin-​offs treten dem Klimawandel mit modernen Methoden entgegen. So hat sich etwa das Spin-​off rrreefs dem Bau von künstlichen Korallenriffen verschrieben – das erste «Pilot-​Riff» aus dem 3D-​Drucker bietet seit einigen Monaten vor einer Karibikinsel ein neues Zuhause für Meeresbewohner. Restor Eco nutzt dagegen die Macht der Daten, um Aufforstungsprojekte voranzutreiben und global zu vernetzen. Die Gründer von SmartBreed haben ihrerseits die Zucht von Futterinsekten automatisiert, um die Tierhaltung ökologisch wie ökonomisch zu verbessern. Vanessa Wood, Vizepräsidentin Wissenstransfer und Wirtschaftsbeziehungen der ETH Zürich, zeigt sich erfreut: «Um die grossen Herausforderungen der Gegenwart anzupacken, müssen wir Forschungserkenntnisse so schnell wie möglich praktisch anwenden können. Für diesen Wissenstransfer sind ETH-​Spin-offs ein wichtiges Instrument.»

Ein Viertel der Firmen von Frauen gegründet

Mit sechs Spin-​offs, die von Frauen gegründet wurden, war der Anteil an Gründerinnen im Vergleich zu den Vorjahren auffallend hoch. «Es geht in die richtige Richtung», sagt Vanessa Wood: «Ich freue mich sehr, dass immer mehr Frauen den Schritt ins Unternehmertum wagen. Davon profitiert die gesamte Schweizer Wirtschaft.» Von zwei ETH-​Abgängerinnen wurde zum Beispiel DigitSoil gegründet. Ihre Idee eines Bodenqualitäts-​Schnelltests entstand im Student Project House, einem offenen Ideenlabor für ETH-​Studierende, und wurde dank einem Pioneer Fellowship von der ETH gezielt bei der Umsetzung unterstützt.

Bewährte Spin-​offs bewegen Grosses

Während neue Spin-​offs Akzente setzen, haben auch die schon länger bestehenden im vergangenen Jahr viel bewegt. Die an der ETH entwickelte Technologie SCION wurde zum Kern eines neuen, sicheren Datennetzwerks für den Schweizer Finanzsektor, welches das ETH-​Spin-off Anapaya bereitstellte. Zwei Spin-​offs im Bereich der Klimatechnologie konnten weiter expandieren: Synhelion hat in Deutschland eine Testanlage zur industriellen Herstellung von Solartreibstoffen gebaut und Climeworks in Island die bisher grösste Anlage zur Abscheidung von CO2 aus der Luft. Die erfolgreichste Finanzierungsrunde konnte Bright Peak Therapeutics verzeichnen: Die Firma erhielt im Juni für die Weiterentwicklung ihrer neuartigen Immuntherapie über 96 Millionen Franken. Insgesamt konnten ETH-​Spin-offs über 390 Millionen Franken Kapital einwerben.

Externer Link: www.ethz.ch

Mikro-Bohrturbine verbessert Effizienz der Geothermie

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 03.01.2022

Als saubere und vor allem grundlastfähige Energiequelle wird Geothermie immer wichtiger. Doch die teilweise mehrere tausend Meter tiefen Bohrungen sind riskant und können manchmal auch fehlgehen. Fraunhofer-Wissenschaftler haben nun ein innovatives Werkzeug entwickelt, das zusätzliche Zweigbohrungen von der Hauptbohrung aus ermöglicht. Das senkt das Risiko von Fehlbohrungen und verbessert die Förderleistung.

Erdwärme ist eine unerschöpfliche Energiequelle. Tief in der ca. 30 Kilometer dicken Erdkruste findet sich heißes Wasser in Reservoiren, Klüften oder Rissen. Bereits in 5000 Meter Tiefe hat das Wasser bis zu 200 °C. In Geothermie-Anwendungen wird es über eine Förderbohrung nach oben gepumpt. Dann kann es beispielsweise Dampfturbinen zur Stromerzeugung antreiben oder über Wärmepumpensysteme für Gebäudeheizungen genutzt werden. Das abgekühlte Wasser fließt über eine zweite Bohrung, die Injektionsbohrung, zurück ins Erdinnere und wird im heißen Gestein aufs Neue erhitzt. Es entsteht ein geschlossener Kreislauf. Diese erneuerbare Energiequelle kann einen wichtigen Beitrag im Kampf gegen den Klimawandel leisten.

Doch die mehrere Tausend Meter tief reichenden Bohrungen sind aufwendig und gleichzeitig riskant. Das Risiko danebenzuliegen und nichts zu finden – Fachleute sprechen vom Fündigkeitsrisiko – liegt bei etwa 30 Prozent. Das wollen die Expertinnen und Experten der Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie IEG in Bochum ändern. Die Idee: Ein Minibohrer perforiert das Umfeld der Bohrung in einem Umkreis von etwa 50 Metern. Dabei stößt er in benachbarte Risse und Klüfte vor und erschließt diese für die Heißwassergewinnung. Das Wasser fließt in die Förderbohrung und kann nach oben gepumpt werden.

Zweitbohrung erkundet das Umfeld

Entwickelt wurde die Technologie Micro Turbine Drilling (MTD) von Niklas Geißler, der am Fraunhofer IEG in Bochum und am Fraunhofer-Chalmers Research Center for Industrial Mathematics FCC in Schweden forscht. »Bohrungen, die mehrere Kilometer in die Erdkruste vordringen, kosten mehrere Millionen Euro. Die mit dem MTD herstellbaren Zweigbohrungen vergrößern das Einzugsgebiet für das Heißwasser, und das Fündigkeitsrisiko sinkt deutlich«, erklärt Geißler.

Herzstück von Micro Turbine Drilling (MTD) ist eine kompakte Mikro-Bohrturbine, die mit einem speziellen Bohrmeißel ausgestattet ist. Mit Abmessungen von gerade einmal 3,6 Zentimetern im Durchmesser und 10 Zentimetern in der Länge ist das Gerät extrem klein. Die Mikro-Bohrturbine ist an einem hochdrucktauglichen Schlauch befestigt, über den sie mit bis zu 200 Liter Wasser pro Minute bei etwa 100 bar Eingangsdruck angetrieben wird, um den Meißel in Rotation zu versetzen. Dieser besteht aus einer Wolframcarbid-Matrix mit eingearbeiteten Diamantkörnern und schleift sich mit bis zu 80 000 Umdrehungen pro Minute in das Gestein. Dabei ist er besonders für sehr hartes, kristallines Gestein wie Granit geeignet. Er ist aber auch in der Lage, Stahl zu durchbohren. Das ist wichtig, da die Bohrungen für bessere Stabilität häufig mit einer Stahlverrohrung ausgekleidet sind. Ohne das Bohrwerkzeug zu tauschen, kann mit dem MTD in einem Schritt zuerst die Stahlverrohrung und dann das Gestein bearbeitet werden. »In der Stunde schaffen wir zwei bis drei Meter. Das Wasser, das die Mikroturbine antreibt, dient zugleich als Kühlung, damit der Bohrer nicht heiß läuft, und auch als Spülung, um den Bohrstaub abzutransportieren«, erklärt Geißler. Ähnliche Verfahren gab es in der Vergangenheit bereits. Doch das ebenfalls druckwasserbasierte Radial Jet Drilling (RJD) beispielsweise funktioniert nur in weichem Gestein. Für die Geothermie ist es damit ungeeignet, da geothermische Reservoire nur mit wenigen Ausnahmen im Hartgestein zu finden sind.

Eine Herausforderung beim Verfahren liegt darin, die Mikro-Turbine aus der Hauptbohrung heraus abzulenken und bei relativ großem Angriffswinkel ins umliegende Gestein zu treiben. Dafür haben die IEG-Forschenden eine spezielle Ablenkvorrichtung entwickelt. Mit diesem sogenannten Ablenkschuh kann das kompakte Werkzeug in einem Winkel von ca. 45 Grad aus der Hauptbohrung herausgeführt werden. So erschließt das Bohrwerkzeug rund um die Hauptbohrung neue Risse und Klüfte mit Heißwasser. Durch den hydraulischen Druck, der entsteht, wenn das Wasser nach oben gepumpt wird, fließt das Wasser aus den Rissen und Klüften nun ebenfalls in die Hauptbohrung.

»Wir sind sehr dankbar dafür, dass wir das Micro Turbine Drilling bereits mehrfach im schweizerischen Bedretto Underground Laboratory (BUL) in der Nähe des Gotthard-Tunnels in bis zu 350 Metern Tiefe testen durften. Das Verfahren funktioniert sehr solide und arbeitet nahezu fehlerfrei«, freut sich Geißler.

Audioaufnahmen der Bohrgeräusche

Auch die Politik hat die Bedeutung des Themas erkannt. Seit März 2021 fördert das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie das Projekt mit mehr als 430 000 Euro.

Die Fraunhofer IEG-Forschenden treiben das Vorhaben unterdessen weiter voran. Im nächsten Schritt sollen die Bohrgeräusche aufgenommen werden. Als akustische Referenz bei der Analyse kann dabei auch das Geräusch der Mikro-Bohrturbine dienen, deren Schaufeln bei der Rotation ein charakteristisches Pulsmuster aussenden. Mit der Analyse der Audioaufnahme lassen sich die Gesteinsarten, die der Meißel bearbeitet, erkennen und lässt sich zugleich feststellen, ob der Bohrer sich in der richtigen Geschwindigkeit dreht, gerade feststeckt oder gar leerläuft. Die Geräusche werden dabei auf die stählerne Rohrleitung als Körperschall übertragen und aufgenommen.

Die Technologie ist nicht nur für Geothermie-Anwendungen einsetzbar. »Generell kann das MTD in jeder Tiefbohrung eingesetzt werden, wo es darauf ankommt, die Umgebung einer Bohrung mit möglicherweise heterogenen Gesteinsarten zu erkunden, etwa für die Öl- oder Gasindustrie. Im Bereich Geotechnologien oder Tunnelbau können mit dieser Mikro-Bohrtechnologie beispielsweise Ankerbohrungen an schlecht zugänglichen Stellen gesetzt werden, an denen der Einsatz konventioneller Geräte aus Platzgründen nicht möglich ist«, erläutert Geißler.

Eine Hauptanwendung der 2020 zum Patent angemeldeten Technologie wird aber sicherlich die Gewinnung von Erdwärme sein. Fachleute schätzen, dass sich die Zahl der Geothermie-Kraftwerke in Europa in den nächsten fünf bis acht Jahren verdoppeln wird. Micro Turbine Drilling aus dem Fraunhofer IEG kann einen wichtigen Beitrag dazu leisten, die Förderbohrungen weniger riskant, weniger aufwendig und noch wirtschaftlicher zu gestalten.

Externer Link: www.fraunhofer.de