– optischE tEchnologiEn sind dEr KlassiKEr im programm dEr BadEn-WürttEmBErg stiftung –
Wertvoll für die Zukunft / : optische messtechnik und Laserbearbeitungsprozesse sind wichtige Schlüsseltechnologien, die unter anderem in der medizintechnik eingesetzt werden.
Wichtig zu wissen / : Die Baden-Württemberg Stiftung finanziert im Programm
„optische Technologien 2010“ zwölf Projekte mit insgesamt 3,8 millionen Euro.
Beim Mikroskopieren ist viel Licht gut, weil es kontrastreiche Bilder etwa aus dem Inneren von Gewebeproben liefert. Gleichzeitig ist zu viel Licht schlecht, weil die Fluoreszenzfarbstoffe rasch ausbleichen, mit denen Biologen das Gewebe einfärben.
Der Ausweg: Das Objekt wird scheibchenweise beleuchtet, und die Linse des Mikroskops stellt auf diese dünne Ebene scharf. Das ist das Prinzip der Lichtscheibenmikroskopie, die etwa zur Langzeitbeobachtung embryonaler Entwicklung verwendet wird, weil der Embryo so nur geringem Lichtstress ausgesetzt ist. Das Licht kommt dabei von der Seite, und der Detektor sitzt im rechten Winkel unter dem Objekt. Ihr Nachteil: Das Licht wird in der Probe geschwächt, sodass die Gewebescheibe nicht gleichmäßig hell ist. Dadurch lassen sich Details – etwa Zellen – nicht gut erkennen.
S e lb s th e il e n d e r L i c h t s t r ahl
Eine raffinierte Lösung erforscht der Lehrstuhl für Bio- und Nano-Photonik der Universität Freiburg im Projekt NiMiSeSt, das die Baden-Württemberg Stiftung im Programm „Optische Technologien 2010“ finanziert. Das Kürzel steht für „Nichtlineare Mikroskopie mit selbstrekonstruierenden Strahlen“. Anstatt auf herkömmliche Lichtstrahlen, die im Zentrum hell sind und nach außen dunkler werden, setzt das Team um Professor Alexander Rohrbach auf sogenannte Besselstrahlen. Sie werden holografisch erzeugt und tragen ein ringartiges Hell-Dunkel-Muster um ihr helles Zentrum. Ihr Geheimnis: Nur die 20 Prozent des Lichts im Zentrum des Strahls dienen zur Beleuchtung des Objekts, die restlichen 80 Prozent sind gewissermaßen der „Proviant“, aus dem sich der schwächer werdende Strahl neuen Nachschub an Photonen (Lichtquanten) verschafft. Die Forscher spre-chen von einem selbstrekonstruierenden oder selbstheilenden Strahl, der sich selbst immer wieder auffrischt.
Experimente mit Tausenden winzigen Plastikkügelchen als künstliche, lichtstreuende Hindernisse zeigen: Der herkömmliche Laserstrahl kommt stark geschwächt und verzerrt hinter den Kugeln an, der Besselstrahl dagegen erhält seine Helligkeitsverteilung weitgehend, dringt wesentlich tiefer in das Objekt ein und zeigt mehr Details.
Damit die unterstützenden Anteile im Ringsystem des Strahls nicht ebenso das Objekt beleuchten und das Bild verwaschen machen, nutzt das Team energiearmes Infrarotlicht. So sind immer zwei Photonen gleichzeitig nötig, um den Fluoreszenzfarbstoff anzuregen, und das ist nur im hellen Zentrum des Besselstrahls der Fall.
Noch ein bis zwei Jahre werde es dauern, bis die Zwei-Photonen-Lichtscheibenmikroskopie mit Besselstrahlen anwendungsreif sei, schätzt Alexander Rohrbach. Einige Forschergruppen hätten schon Interesse; ein zukünf-tiger Einsatz des Verfahrens auch für den Routineeinsatz in Kliniken erscheint reizvoll. Dann werden Unter-nehmen in Baden-Württemberg von diesem neuen Mikroskopie-Verfahren profitieren können.
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Baden-Württemberg Stiftung 2011
S an f t e S c h ni t t e
Autos müssen leichter werden, u. a. um weniger Kraftstoff zu verbrauchen. Deshalb werden künftig immer mehr Bauteile aus Stahl durch kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) ersetzt. Das Material ist leicht und zäh – und leider so spröde, dass Werkzeuge beim Bohren oder Schneiden viel schneller verschleißen als bei der Bearbei-tung von Stahl. Ein Ausweg könnte der Laser sein, der in der Industrie immer häufiger zum Bohren, Schneiden oder Schweißen zum Einsatz kommt. Was genau passiert, wenn der Laser in den Faserverbund eindringt, ist weitgehend unbekannt. Bekannt ist dagegen das Resultat: Wenn ein Laser CFK schneidet, ist an der Oberfläche eine Wärmeeinflusszone sichtbar, die bis zu zehnmal breiter ist als der Lichtstrahl.
Das Projekt Carecut soll der Ursache auf den Grund gehen. Man weiß, dass die Energie des Lasers den Kunst-stoff so erhitzt, dass er schlagartig verdampft und die Fasern frei liegen. Übeltäter sind die Fasern, weil ihre Wärmeleitfähigkeit sehr hoch ist. Wie das genau abläuft, soll eine Simulation zeigen, die Projektleiterin Margit Hafner programmiert hat. Sie modelliert die Wärmeausbreitung in einer Faser und vergleicht sie mit Daten von Hochgeschwindigkeits-Aufnahmen. Ein wichtiger Aspekt ist die Lichtausbreitung im Material, denn der Strahl geht keineswegs gerade durch, sondern wird darin kompliziert gestreut. Das untersuchen Kollegen an der Universität Ulm.
Ideen, wie man CFK sanfter bearbeiten kann, gibt es auch schon. So sind Laser mit extrem kurzen, nur wenige Pikosekunden dauernden Lichtpulsen geeigneter, weil sie weniger Energie im verbleibenden Material hinter-lassen. Auch beim Strahlprofil gibt es Optimierungsbedarf. Die meisten Laser sind in der Mitte des Strahls am intensivsten, nach außen nimmt die Intensität in einem Glockenprofil ab. Besser ist aber ein Rechteckprofil: Die Intensität des Laserstrahls ist dann über den gesamten Lichtfleck gleich. Lösungen wie diese soll das Projekt noch bis Februar 2014 zum Ende der Projektlaufzeit finden.
Run d e si e b e n
Optische Technologien sind der Klassiker im Programm der Baden-Württemberg Stiftung. Als wichtige Schlüssel-technologie werden sie seit 2001 mit bisher 21 Millionen Euro unterstützt, Projektträger ist das Kompetenznetz Photonics BW. Die beiden vorgestellten Projekte stammen aus der sechsten Förderrunde. Bis Mai 2012 läuft die Ausschreibung zur siebten Runde, die bewilligten Projekte sollen mit einem Finanzvolumen von insge-samt 4 Millionen Euro dann 2013 starten. Mit dem Programm unterstützt die Baden-Württemberg Stiftung anwendungsnahe Forschung, die auch der baden-württembergischen Industrie nützt, wie zahlreiche Beispiele der Kommerzialisierung der Forschungsergebnisse zeigen: 24 Erfindungsmeldungen gingen bisher aus dem Programm hervor, zwölf davon wurden zum Patent angemeldet, vier Patente sind bereits erteilt.
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Baden-Württemberg Stiftung 2011
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1 / : Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie und des Fraunhofer- Insituts für optronik, Systemtechnik und Bildauswertung produzieren Waschsubstanzen durch biologische Verfahren
2 / : Rhamnolipide haben gute Wascheigenschaften und sind sehr umweltverträglich
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Fotografie: Baden-Württemberg Stiftung
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Baden-Württemberg Stiftung 2011
Aus Supermarktregalen sind sie nicht mehr wegzudenken: Waschmittel oder Shampoos aus nachwachsenden Rohstoffen, die biologisch abbaubar sind. Doch wirklich „bio“ sind die Inhaltsstoffe nicht. Denn die Tenside, die den Produkten ihre Waschkraft verleihen, werden chemisch hergestellt. Außerdem gibt es nur begrenzte Varianten dieser Tenside; neue Produkte etwa mit anderen Schaumeigenschaften lassen sich daraus schwer entwickeln. Anders bei der Herstellung von Waschsubstanzen mit biologischen Verfahren: In Bioreaktoren lassen sich diverse Tenside herstellen. Der Nachteil hier: Bisher hat man die Erbanlagen dafür aus natürlichen Bakterienstämmen entnommen und in das Erbgut leistungsfähiger Bakterien eingebaut. Das ist Gentechnik und nicht jedermanns Sache.
B e d ar f an B i o t e n si d e n w ä c h s t
Biologen des Karlsruher Instituts für Technologie KIT wollen zurück zur Natur. Sie produzieren Biotenside allein mit gentechnisch nicht modifizierten Bakterienstämmen der Gattung Pseudomonas. Diese Bakterien gibt es überall in der Natur: auf der Haut oder nach Tankerhavarien im ausgelaufenen Erdöl. Die Mikroorganismen produzieren sogenannte Rhamnolipide, die sehr gute Wascheigenschaften haben und zudem sehr umweltver-träglich sind. Die Bakterien lösen damit Fett, das sie als Nahrung aufnehmen. Leider ist die Ausbeute noch zu gering. Trotzdem hat die Industrie großes Interesse, weil ihr Bedarf an Biotensiden aufgrund der gewachsenen Nachfrage der Konsumenten enorm gestiegen ist.
„Dieses Henne-Ei-Problem können wir nur durch öffentliche Forschung durchbrechen“, sagt Professor Rudolf Hausmann vom Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik des KIT. Dank der Unterstützung der Baden-Württem-berg Stiftung kann ein kleines Team an den Rhamnolipiden weiterforschen. Die Forscher suchen systematisch nach Stellschrauben, um die Tensidproduktion anzukurbeln. Dabei hilft ein Computermodell, entwickelt vom Karlsruher Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung. Es berechnet das Verhalten der Bakterien im Bioreaktor und kalkuliert, wie sich Wachstumsrate, Substratverbrauch oder Kohlendioxid-aufnahme verändern, wenn man bestimmte Parameter – zum Beispiel die Temperatur im Reaktor – ändert.
Dieses Modell für die Rhamnolipide könnte dabei helfen, in Zukunft auch andere Bioprozesse zu optimieren.
Das KIT-Team ist schon weit gekommen. Ein Liter Bakteriensuspension erzeugt 40 Gramm Rhamnolipide – tausendmal mehr als in der Natur. Bekannt ist, dass die Bakterien theoretisch noch 20 Mal mehr Tenside produzieren könnten. Schon eine zehnmal höhere Ausbeute würde vermutlich genügen, um Rhamnolipide für industrielle Zwecke wirtschaftlich zu machen. In fünf Jahren könne es die ersten Waschmittel aus diesen Biotensiden geben, so Rudolf Hausmann, es könne aber auch schneller gehen. Etliche Firmen verfolgten die Arbeiten in Karlsruhe aufmerksam. Hausmann: „Wir haben bereits jede Menge Anfragen aus der Industrie.“
Wertvoll für die Zukunft / : Baden-Württemberg soll auch weiterhin Spitzenstandort für umwelttech-nologien bleiben. Wichtig zu wissen / : Die zehn Projekte im Programm „umwelttechnologieforschung“
leisten einen wichtigen Beitrag zum Klima- und Ressourcenschutz.
EIN PRoJEKT AuS DEm BEREIch
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