Elektronische Nase unterscheidet Minzdüfte

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 05.05.2021

Interdisziplinäre Forschungsgruppe des KIT entwickelt und erprobt künstliche Geruchserfassung durch Sensoren auf Basis neuartiger Materialkombinationen

In der Natur locken pflanzliche Duftstoffe beispielsweise Insekten an. Aber auch in der Industrie werden sie genutzt, etwa beim Herstellen von Parfums und Aromen. Um speziell die Duftstoffe der Minze zuverlässig, schnell und objektiv zu unterscheiden, haben Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in einer interdisziplinären Zusammenarbeit eine elektronische Nase mit einem künstlichen Geruchssinn entwickelt: Mit hoher Präzision kann sie unterschiedliche Minzarten erkennen – damit eignet sie sich für Anwendungen von der pharmazeutischen Qualitätskontrolle bis hin zur Beobachtung von Minzöl als umweltfreundlichem Bioherbizid.

„Bislang kennt die Forschung schätzungsweise 100 000 unterschiedliche biologische Verbindungen, über die benachbarte Pflanzen miteinander interagieren oder andere Organismen wie Insekten steuern“, sagt Professor Peter Nick vom Botanischen Institut des KIT. „Diese Verbindungen sind bei Pflanzen der gleichen Gattung sehr ähnlich.“ Ein klassisches Beispiel in der Pflanzenwelt sei die Minze, bei der die verschiedenen Sorten mit sehr artspezifischen Duftstoffen ausgestattet seien. Insbesondere die industrielle Überwachung von Minzöl unterliege zum Vermeiden von Fälschungen einer strengen gesetzlichen Regelung, sei zeitaufwendig und erfordere viel Geschick, so der Wissenschaftler. Unterstützen soll dabei eine neue elektronische Nase auf Basis von Sensoren mit kombinierten Materialien, die Forschende vom Botanischen Institut, vom Institut für Funktionale Grenzflächen (IFG), vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) und vom Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT gemeinsam entwickelt und bereits mit sechs unterschiedlichen Minzarten erprobt haben.

Elektronische Nase nach biologischem Vorbild

Bei der Entwicklung der elektronischen Nase orientiert sich das gesamte Forschungsteam so weit wie möglich am biologischen Vorbild: Die Geruchszellen, die beim Menschen Informationen über elektrische Impulse ans Gehirn geben, ersetzen sie durch insgesamt zwölf spezielle Sensoren (Quartz Crystal Microbalance-, kurz QCM-Sensoren). Diese bestehen aus zwei Elektroden mit einem Quarzkristall. Solche Bauteile sind beispielsweise auch in Mobiltelefonen verbaut, da sie kostengünstig eine hohe Genauigkeit der Mobilfunkfrequenzen garantieren. „Die Duftstoffe der Minze lagern sich auf der Oberfläche der Sensoren ab. Dadurch ändert sich deren Resonanzfrequenz, und wir erhalten eine Reaktion auf den jeweiligen Duft“, erläutert Professor Christof Wöll vom IFG. Duftstoffe bestehen aus organischen Molekülen in unterschiedlicher Zusammensetzung. Damit die neuen Sensoren diese aufnehmen können, haben die Forschenden vom IFG zwölf spezielle Sensormaterialien, unter anderem die am IFG entwickelten Metall-Organischen Gerüststrukturen (engl. Metal-Organic Frameworks, kurz MOFs), verwendet. „Diese Materialien sind hochporös und für Sensor-Anwendungen besonders gut geeignet, weil sie wie ein Schwamm viele Moleküle aufnehmen können“, so Wöll. „Durch die Kombination der Sensoren mit den unterschiedlichen Materialien verschalten wir quasi ein neuronales Netzwerk.“

Training mit sechs Minzarten durch Maschinelles Lernen

Die elektronische Nase haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit sechs verschiedenen Minzarten getestet – darunter klassische Pfefferminze, Pferdeminze und Katzenminze. „Mit unterschiedlichen Methoden des Maschinellen Lernens trainieren wir die Sensoren so, dass sie aus den gesammelten Daten den Fingerabdruck des jeweiligen Dufts erstellen und so die Düfte voneinander unterscheiden können“, erläutert Wöll. Nach jeder Duftstoff-Probe werde die Nase etwa eine halbe Stunde lang mit Kohlendioxid (CO2) durchgespült, damit die Sensoren regenerieren.

Die Ergebnisse des interdisziplinären Forschungsteams haben gezeigt, dass die elektronische Nase mit QCM-Sensoren Minzdüfte mit hoher Spezifität einer Art zuordnen kann. Zusätzlich sei sie eine benutzerfreundliche, zuverlässige und kostengünstige Alternative zu herkömmlichen Methoden wie Massenspektrometrie, sagt der Wissenschaftler. Für die Weiterentwicklung stehen Sensoren im Fokus, die schneller regenerieren und dann erneut Gerüche aufnehmen können. Weiterhin konzentrieren sich die Forschenden vom IFG auf MOF-Materialien, um diese für andere Anwendungsbereiche wie beispielsweise für die künstliche Geruchserfassung in der medizinischen Diagnostik auszugestalten. (ase)

Originalpublikation:
Salih Okur, Mohammed Sarheed, Robert Huber, Zejun Zhang, Lars Heinke, Adnan Kanbar, Christof Wöll, Peter Nick, Ulrich Lemmer: Identification of Mint Scents Using a QCM Based E-Nose. Chemosensors.

Externer Link: www.kit.edu

Neues Protokoll macht Bitcoin-Transaktionen sicherer

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Presseaussendung der TU Wien vom 04.05.2021

An der TU Wien wurde ein Protokoll entwickelt, das Transaktionen mit Kryptowährungen wie Bitcoin schneller und sicherer macht.

Kryptowährungen wie Bitcoin werden immer populärer. Auf den ersten Blick haben sie viele Vorteile: Transaktionen sind normalerweise anonym, schnell und kostengünstig. Aber manchmal gibt es dabei auch Probleme. In bestimmten Situationen sind Betrügereien möglich, User können Information über andere User ermitteln, die eigentlich geheim bleiben sollte, und manchmal kommt es zu Verzögerungen.

Der Forschungsbereich „Security and Privacy“ der TU Wien (Lukas Aumayr und dessen Dissertationsbetreuer Prof. Matteo Maffei) hat in Kollaboration mit dem IMDEA Software Institute (Prof. Pedro Moreno-Sanchez, zuvor Postoc an der TU Wien) und der Purdue University (Prof. Aniket Kate) diese Probleme analysiert und ein verbessertes Protokoll entwickelt. Dieses wurde nun veröffentlicht und wird in diesem Jahr beim USENIX Security Symposium präsentiert – einer der „Big Four“ IT-Sicherheitskonferenzen weltweit, die als äußerst prestigeträchtig gelten.

Der Bitcoin-Strom ist nur ein Bächlein

„Schon lange weiß man, dass Bitcoin und andere Blockchain-Technologien ein Skalierungsproblem haben: Es kann nur maximal zehn Transaktionen pro Sekunde geben“, sagt Lukas Aumayr vom Security and Privacy Forschungsbereich der TU Wien. „Das ist sehr wenig, verglichen etwa mit Kreditkartenfirmen, die weltweit zehntausende Transaktionen pro Sekunde durchführen.“

Aus diesem Grund hat man das sogenannte „Lightning Netzwerk“ entwickelt – ein zusätzliches Netz an Transaktionskanälen zwischen Blockchain-Usern. Wenn etwa zwei Personen in kurzer Zeit viele Transaktionen abwickeln möchten, können sie Zahlungen auf diese Weise direkt untereinander austauschen, ohne dass jede einzelne Transaktion in der Blockchain sichtbar wird. Nur zu Beginn und am Ende dieser Serie an Transaktionen kommt es zu einem offiziellen Eintrag in der Blockchain.

Diese „Seitenzweige“ der Blockchain können auch relativ kompliziert gestaltet werden, mit Ketten aus mehreren Usern. „Dabei können Probleme entstehen“, sagt Lukas Aumayr. „In bestimmten Fällen können User dann an Daten über andere User gelangen. Außerdem muss jeder in dieser Kette einen gewissen Geldbetrag einbringen, der als Sicherheit gesperrt wird. Manchmal scheitert eine Transaktion, und dann kann es passieren, dass viel Geld relativ lange gesperrt bleibt – je mehr Personen beteiligt sind, umso länger.“

Schwachstellen mathematisch ausschließen

Das Forschungsteam an der TU Wien analysierte, wie sich dieses Transaktionsprotokoll verbessern lässt, und entwickelte eine Alternativvariante. „Man kann die Sicherheit solcher Protokolle mit formalen Methoden analysieren. Wir können also mathematisch beweisen, dass unser neues Protokoll bestimmte Fehler und Probleme in keiner Situation erlaubt“, sagt Aumayr.

So kann man ganz bestimmte sicherheitskritische Attacken ausschließen, die bisher möglich waren, und auch langfristige Geldsperren verhindern: „Bisher waren zwei Kommunikationsrunden nötig: In der ersten Runde wird das Geld gesperrt, in der 2. Runde wird es freigegeben – oder zurückgebucht, wenn es Probleme gab. Das kann bedeuten, dass für jeden User in dieser Kette ein zusätzlicher Tag an Verzögerung auftritt. Bei unserem Protokoll muss die Kommunikationskette nur einmal durchlaufen werden“, erklärt Lukas Aumayr.

Simulation beweist Praxistauglichkeit

Wichtig ist aber nicht nur die fundamentale logische Struktur des neuen Protokolls, sondern auch seine Praxistauglichkeit. Daher simulierte das Team in einem virtuellen Transaktionsnetzwerk, wie sich die neue Technologie verglichen mit dem bisherigen Lightning-Netzwerk verhält. Dabei wurden die Vorteile des neuen Protokolls besonders gut sichtbar: Je nach Situation, etwa abhängig davon, ob es Attacken und Betrugsversuche gibt oder nicht, gibt es durch das neues Protokoll um einen Faktor 4 bis 33 weniger fehlgeschlagene Transaktionen als mit dem herkömmlichen Lightning-Netzwerk.

Das Team der TU Wien ist bereits in Kontakt mit den Betreiberorganisationen des Lightning-Netzwerks. „Wir hoffen natürlich, dass unsere Technologie rasch eingesetzt wird, oder zumindest als sicherere Alternative zur bisherigen Technologie angeboten wird“, sagt Lukas Aumayr. „Technisch wäre das sofort umsetzbar.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
L. Aumayr, P. Moreno-Sanchez, A. Kate, M. Maffei, Blitz: Secure Multi-Hop Payments Without Two-Phase Commits, USENIX Security Symposium 2021

Externer Link: www.tuwien.at

Grüner Strom trifft blaues Wasser: Forschungsteam findet neuen Ansatz zur Entsalzung von Meerwasser

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 06.05.2021

Weltweit gilt Wasserstoff als ein Hoffnungsträger für die Energiewende. Aber um ihn im industriellen Maßstab zu gewinnen, muss man auf Meerwasser zurückgreifen. Dessen Entsalzung ist aber bisher nur unter großem Energieeinsatz möglich. Die Energie-Experten Yuan Zhang und Volker Presser haben einen Weg gefunden, dem Meerwasser direkt mit einer Brennstoffzelle das Salz zu entziehen, die bisher „nur“ für die Stromerzeugung genutzt wurde. Das könnte die Herstellung von Wasserstoff revolutionieren.

Ihr Prinzip haben sie in der renommierten Fachzeitschrift Cell Reports Physical Science veröffentlicht.

Im Grunde genommen ist die Wende hin zur Wasserstoffwirtschaft ein Klacks: Von den rund 1,4 Milliarden Kubikkilometern Wasser auf der Erde (das sind 1.400.000.000.000.000.000 oder 1400 Trillionen Liter) ist die überwältigende Mehrheit als Salzwasser in den Ozeanen gut zugänglich und, das kann man wohl ohne Untertreibung sagen, in ausreichender Menge vorhanden, um die Menschheit über lange Zeit mit Energie zu versorgen. Dieses schier unerschöpfliche Gut könnte man also nutzen, um so viel Wasserstoff herzustellen, wie man nur braucht, um daraus Strom zu gewinnen. Die „grüne“ Energiewende weg von fossilen Energieträgern wäre geschafft.

Dass das noch niemand gemacht hat, liegt an einem kleinen, aber feinen Haken: „Heutige Elektrolysesysteme können keinen Wasserstoff aus salzhaltigem Wasser gewinnen“, bringt es Volker Presser auf den Punkt. Der Professor für Energie-Materialien an der Universität des Saarlandes und Leiter des Programmbereichs Energie-Materialien am INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien ist einer der führenden Experten auf dem Gebiet der Energiespeicherung. Seine Arbeiten insbesondere auf dem Gebiet der Elektrochemie finden internationale Beachtung in hochrangigen Zeitschriften.

Gemeinsam mit seiner Doktorandin Yuan Zhang ist ihm nun ein großer Schritt in Richtung „Energie aus Meerwasser“ gelungen – im experimentellen Maßstab zumindest. Bisherige Systeme sehen vor, dass Wasserstoff für Brennstoffzellen erzeugt wird, indem man zuvor mit viel Energie deionisiertes (also entsalztes) Wasser aus Meerwasser herstellt, um aus diesem aufbereiteten Wasser wiederum Wasserstoff zu gewinnen. Denn nur so ließe sich genügend Wasserstoff herstellen, ohne die begrenzten, wertvollen Süßwasservorräte drastisch zu verringern. Dieses Verfahren ist aber nicht wirklich nachhaltig, wenn die Energie zur Entsalzung nicht vollständig aus regenerativen Quellen stammt. „Yuan Zhang hatte nun eine revolutionäre Idee: Wir benutzen einfach die Brennstoffzelle selbst, um das Meerwasser zu entsalzen und anschließend Süßwasser zu erhalten, das dann in der Brennstoffzelle für die Wasserstofferzeugung genutzt werden kann“, so Energie-Experte Presser.

Dazu haben sich er und seine Doktorandin einen simplen und für jedermann nachvollziehbaren Experiment-Aufbau überlegt: Aus einer Brennstoffzelle für den Schulbedarf haben sie eine Anlage gebaut, die aus dem Ausgangsstoff Salzwasser am Ende Süßwasser erzeugt und dazu noch Strom und Wärme produziert, die wiederum in die Gewinnung von Wasserstoff investiert werden können. Das im Salzwasser vorhandene Salz (vor allem NaCl, Kochsalz) wird dabei durch die Zugabe von Wasserstoff und Sauerstoff gezwungen, seine Verbindung mit dem Wasser aufzulösen. Es entstehen neben dem dann entstandenen Trinkwasser (das man im Anschluss für die Gewinnung von Wasserstoff nutzen kann) eine Säure (insbesondere HCl; Salzsäure) und eine Base (insbesondere NaOH, Natriumhydroxid) als Zwischenprodukte. „Außerdem erzeugen wir an dieser Stelle Elektrizität, die wir weiter nutzen können“, so Volker Presser. Die Säure und die Base erzeugen, wenn man sie zum Schluss wieder zusammenbringt, zusätzlich Wärme, die man ebenfalls weiter nutzen kann.

„Wir können nun also aus jeder Brennstoffzelle ein Modul bauen, das nicht nur Strom generiert, sondern ganz nebenbei auch Trinkwasser erzeugt. Dieses kann dann auch für die Wasserstoffproduktion genutzt werden. Man braucht dazu halt Wasserstoff, aber den kann man über Elektrolyse ‚grün‘ mit ‚Power to Gas‘ herstellen“, erklärt Volker Presser den möglichen Nutzwert des neuen Technologieansatzes, der in weiterer Zukunft in großem Maßstab zum Einsatz kommen könnte.

Publikation:
Zhang et al., Electrocatalytic fuel cell desalination for continuous energy and freshwater generation, Cell Reports Physical Science (2021)

Externer Link: www.uni-saarland.de

technologiewerte.de – MOOCblick Mai 2021

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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:

Plant Based Diets: Food for a Sustainable Future
Eva Everloo (Wageningen University & Research) et al.
Start: 18.05.2021 / Arbeitsaufwand: 14-21 Stunden

Externer Link: www.edx.org