Einreichungen 2021

Angewandte Forschung

Optische Schlierenverfahren zur Visualisierung von Raumluftströmungen

Kategorie: Angewandte Forschung
Thema: Optische Schlierenverfahren zur Visualisierung von Raumluftströmungen
Institution: Bauhaus-Universität Weimar
Forscher: Prof. Dr.-Ing. Conrad Völker, Dr.-Ing. Hayder Alsaad, Lia Becher, Amayu Wakoya Gena

Beschreibung des Projektes

Was passiert, wenn wir husten? Wie weit reicht die Atemluft in den Raum? Und: Wirkt das Tragen eines Mund-Nasenschutzes? Was für das menschliche Auge nicht sichtbar ist, ist häufig nur schwer zu begreifen. Vor dem Hintergrund der Covid-19-Pandemie ist dieses Grundprinzip der Forschung jedoch aktueller denn je. Nicht selten führt gerade der Blick über den Tellerrand hierbei zu Innovation und Fortschritt. An der Bauhaus-Universität Weimar wird dieses Prinzip gelebt und weitergedacht, wie die jüngsten Forschungsarbeiten an der Professur Bauphysik beweisen.

Mithilfe der optischen Schlierenverfahren, das sind der weltweit einzigartige Schlierenspiegel sowie das Background Oriented Schlieren (BOS) Verfahren, werden selbst kleinste Luftströmungen sichtbar: Ähnlich wie bei einer überhitzten Straße im Sommer, wenn die Luft über dem Asphalt flimmert, hat die warme, feuchte Atemluft eine andere Dichte als die kühlere Raumluft. Beide Messverfahren machen diese Dichteunterschiede in einem Foto oder Videobild sichtbar.

Eingesetzt werden die Schlierenverfahren an der Professur Bauphysik der Bauhaus-Universität Weimar vornehmlich zur Erforschung des Raumklimas. Ziel ist die Entwicklung individueller Lösungen, um die Energieeffizienz von Räumen zu optimieren. Mit Aufkommen der Corona-Pandemie entstanden jedoch völlig neue Anwendungsgebiete, die einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung von effizienten Hygiene- und Sicherheitskonzepten leisten sollen.

Angewandte Forschung

nutriCARD - Mehr wissen. Besser essen. Gesünder leben. Translationale Spitzenforschung und Entwicklung für eine gesündere Bevölkerung

Kategorie: Angewandte Forschung
Thema: nutriCARD - Mehr wissen. Besser essen. Gesünder leben. Translationale Spitzenforschung und Entwicklung für eine gesündere Bevölkerung
Institution: Friedrich-Schiller-Universität Jena, Universität Halle, Universität Leipzig
Forscher: Prof. Dr. Stefan Lorkowski, Dr. Christine Dawczynski (Jena)
Prof. Dr. Gabriele Stangl, Dr. Toni Meier (Halle)
Prof. Dr. Peggy Braun, Dr. Tobias Höhn, Dr. Claudia Wiacek (Leipzig)

Beschreibung des Projektes

Die weltweit häufigste Todesursache sind Herz-Kreislauf-Erkrankungen; mehr als vier Millionen Menschen sterben jährlich in Europa an deren Folgen. Dabei hätte jeder zweite bis dritte vorzeitige Todesfall durch eine ausgewogene Ernährung vermieden werden können, wie die Wissenschaftler des Kompetenzclusters für Ernährung und kardiovaskuläre Gesundheit (nutriCARD) Halle-Jena-Leipzig aufzeigen. Das vom BMBF geförderte Verbundprojekt nutriCARD hat sich zum Ziel gesetzt, die Ernährungsweise der Bevölkerung umfassend und nachhaltig zu verbessern.

Dafür arbeiten unter der Koordination von Prof. Dr. Stefan Lorkowski mehr als 40 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unterschiedlicher Fachbereiche der Universitäten Jena, Halle-Wittenberg und Leipzig in Kooperation mit rund 80 außeruniversitären Partnern eng zusammen. Ein lebendiges und produktives Netzwerk wurde geschaffen, das die nationale sowie internationale Sichtbarkeit der Ernährungsforschung im mitteldeutschen Raum erhöht, aber auch mehrere tausend Menschen für eine bessere Ernährung sensibilisiert hat.

Dabei wird ein translationaler Ansatz verfolgt:  Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung werden in optimierte Rezepturen von Lebensmitteln und Ernährungskonzepte sowie neue Lebensmittel überführt und mittels innovativer Ansätze in der Kommunikation für Verbraucher verständlich und im Alltag nutzbar aufbereitet. Langfristig möchte nutriCARD seine Kompetenzen in einem Mitteldeutschen Zentrum für Ernährung und Gesundheit bündeln.

Angewandte Forschung

PARAX – ein Softwaretool zur Startsystemfindung für komplexe (verstimmbare) optische Systeme

Kategorie: Angewandte Forschung
Thema: PARAX – ein Softwaretool zur Startsystemfindung für komplexe (verstimmbare) optische Systeme
Institution: Technische Universität Ilmenau
Forscher: Prof. Dr. Stefan Sinzinger, Dr. Beate Mitschunas, Dipl. Ing. Adrian Grewe, M. Sc. Leonhard Lenk, Patrick Fesser

Beschreibung des Projektes

Mit dem Programmpaket PARAX der TU Ilmenau, das für den Thüringer Forschungspreis 2021 vorgeschlagen wurde, wird eine der aktuell großen Herausforderungen für das optische Systemdesign adressiert. Für Anwendungen wie Handykameras, autonomes Fahren oder die Überwachung der industriellen Produktion werden immer kompaktere miniaturisierte System mit immer größerer optischer Leistungsfähigkeit (z.B. Bildschärfe, Vergrößerung oder Flexibilität) benötigt. Eine mögliche Lösung für einen verringerten Bauraum des Systems ist die Integration neuartiger Bauelemente, zum Beispiel verstimmbarer Linsen, in klassische Optiksysteme.

Das Design klassischer Zoom- oder Vario-Objektive ist u.a. auch aufgrund ihrer variablen Funktionalität bereits mit erheblichem Aufwand verbunden. Der sehr große und unübersichtliche mögliche Lösungsraum für ein klassisches System gewinnt durch die Integration verstimmbarer Linsen noch zusätzlich an Komplexität. Lösungsansätze für ein solches System sind daher eng mit der Erfahrung, Intuition und Kreativität des Optikdesigners verbunden, in gleichem Maße aber auch durch diesen beschränkt. Mit der Entwicklung des Softwaretools PARAX ist es gelungen, diesen komplexen Lösungsraum vollständig zu erfassen und eine systematische, detaillierte Analyse der Designvarianten zu ermöglichen. Die Einbeziehung variabler Linsen in klassische Systeme unter Nutzung des entwickelten Softwaretools PARAX ermöglicht damit neue – vorher nicht erkennbare – innovative Systemlösungen für zum Beispiel hochkompakte Zoom-Systeme.

Angewandte Forschung

Potentialinduzierte Degradationsmechanismen von Photovoltaikmodulen

Kategorie: Angewandte Forschung
Thema: Potentialinduzierte Degradationsmechanismen von Photovoltaikmodulen
Institution: Hochschule Nordhausen
Forscher: Dr.-Ing. Sebastian Voswinckel, Prof. Dr.-Ing. Viktor Wesselak, Lukas Gerstenberg, Pavan Kumar Panda,

Beschreibung des Projektes

Photovoltaikmodule müssen eine Lebensdauer von mindestens 20 Jahren aufweisen. Dabei sind sie je nach Einsatzort unterschiedlichen Umwelteinflüssen ausgesetzt. Natürliche und systembedingte Alterung der eingesetzten Materialien führt zu Degradationserscheinungen und kann die Lebensdauer verkürzen. Unter potentialinduzierte Degradation (PID) wird hier eine Verschlechterung des Wirkungsgrads aufgrund der vorhandenen Systemspannung in Photovoltaikanlagen verstanden. In diesem Projekt wurde ein Lebensdauermodell zur Bewertung von PID hinsichtlich der Feldrelevanz entwickelt. Mit Hilfe von beschleunigten Alterungstests in einer Klimakammer und einem extern angelegten Potential wird das Leckstromverhalten unter Laborbedingungen analysiert. Der durch das Potential hervorgerufene Leckstrom kann unterschiedlichen Pfaden folgen. In Abhängigkeit des aktivierten Leckstrompfads kann eine spezifische Korrelation zwischen übertragener Ladungsmenge und dem durch PID hervorgerufenen Leistungsverlust ermittelt werden. Das Leckstromverhalten sowie die Ermittlung des Modulmikroklimas ermöglichen die ermittelten Degradationsraten auf den realen Anlagenbetrieb zu übertragen. Mit Hilfe der selektiven Ermittlung des Schadenspotential können Maßnahmen zur Verhinderung von Ausfällen aufgrund von PID entwickelt und überprüft werden. Eine Beeinträchtigung der Lebensdauer aufgrund von PID kann somit vermieden werden

Angewandte Forschung

Grundlagenkonzept einer Kunststoff-Hülse für ein zweiteiliges Keramik-Zahnimplantat - Projekt Botticelli

Kategorie: Angewandte Forschung
Thema: Grundlagenkonzept einer Kunststoff-Hülse für ein zweiteiliges Keramik-Zahnimplantat - Projekt Botticelli
Institution: Hochschule Schmalkalden
Forscher: Prof. Dr.-Ing. Thomas Seul, Johannes Ullrich

Beschreibung des Projektes

Bei dem Forschungsprojekt „Grundlagenkonzept einer Kunststoff-Hülse für ein zweiteiliges Keramik-Zahnimplantat ‚Botticelli‘“ handelt es sich um ein Thema der angewandten Forschung auf dem Gebiet der Kunststoff- bzw. Medizintechnik. Heute ist der Ersatz von menschlichen Zähnen Stand der Technik, wobei mittlerweile auch Keramikwerkstoffe zur Anwendung kommen. Die bestehenden Implantationssysteme haben aber zahlreiche Nachteile vor allem während des Gebrauchs. Die Hochschule Schmalkalden versuchte daher in Zusammenarbeit mit zwei Partnern die bekannten Nachteile, die insbesondere die Patientensicherheit betreffen, zu beseitigen und ein innovatives, sicheres Keramikimplantat mit einer Kunststoffkomponente auszulegen.

Angewandte Forschung

Aufbau eines Thüringer Exzellenznetzwerks in den Angewandten Photonischen Quantentechnologien

Kategorie: Angewandte Forschung
Thema: Aufbau eines Thüringer Exzellenznetzwerks in den Angewandten Photonischen Quantentechnologien
Institution: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik - IOF
Forscher: Dr. Fabian Steinlechner, Prof. Dr. Isabelle Staude, Dr. Oliver de Vries, Dr. Erik Beckert, Dr. Falk Eilenberger, Dr. Markus Gräfe, Dr. Frank Setzpfandt

Beschreibung des Projektes

Quantentechnologien haben das Potential, eine Vielzahl von Anwendungen zu revolutionieren, insbesondere in der Computertechnik, bei der sicheren Verschlüsselung und Übertragung von Daten und im Bereich hochsensitiver Messverfahren. Dies gilt insbesondere für Quantentechnologien der neuesten Generation, in denen einzelne Quantensysteme wie zum Beispiel einzelne Photonen oder Atome gezielt für Anwendungen nutzbar gemacht werden. In verschiedenen komplizierten Laborexperimenten konnten die dafür notwendigen faszinierenden Eigenschaften in den letzten Jahren bereits nachgewiesen werden. Zur Nutzung dieser Laborergebnisse in tatsächlichen Anwendungen ist es nun notwendig, die bisher verwendeten komplexen und störanfälligen Experimente durch robuste Quantengeräte zu ersetzen, welche auch unter Realbedingungen funktionsfähig sind.

Dazu lieferten die Arbeitsgruppen um Dr. Beckert, Dr. Eilenberger, Dr. Gräfe, Dr. Setzpfandt, Prof. Staude, Dr. Steinlechner und Dr. de Vries am Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena sowie am Institut für Angewandte Physik der Friedrich‐Schiller‐Universität Jena in den letzten Jahren entscheidende Beiträge. Sie konnten unter anderem eine satellitentaugliche Quantenlichtquelle entwickeln, mit der absolut sichere Kommunikation zwischen entfernten Bodenstationen möglich ist. Weiterhin entwickelten sie ein Quantenkamerasystem, das Bilder von Objekten macht, welche gar nicht vom detektierten Licht beleuchtet werden, wodurch sich weitgehende Anwendungsmöglichkeiten in der Biologie oder Medizin eröffnen. Mit diesen und anderen Innovationen leisten die Jenaer Forscher einen wichtigen Beitrag dazu, die Potentiale der Quantenphysik in breit nutzbare Anwendungen zu übertragen.

Angewandte Forschung

Holographische Endoskopie: Schlüssel zu den Geheimnissen des Gehirns

Kategorie: Angewandte Forschung
Thema: Holographische Endoskopie: Schlüssel zu den Geheimnissen des Gehirns
Institution: Leibniz-Institut für Photonische Technologien e.V. (Leibniz-IPHT)
Forscher: Prof. Tomáš Čižmár, Dr. Sergey Turtaev, Dr. Ivo T. Leite, Dr. Dirk Boonzajer Flaes

Beschreibung des Projektes

Was passiert in unserem Kopf, wenn wir etwas lernen? Wie bilden sich Erinnerungen und wie entsteht Alzheimer? Was im tiefsten Inneren des menschlichen Gehirns passiert, liegt für Forschende bis heute weitgehend im Verborgenen.

Das Team um Tomáš Čižmár vom Leibniz-IPHT hat ein Werkzeug entwickelt, das Einblicke in bislang nicht erreichte Tiefen des Gehirns erlaubt: mit einer Faser-Sonde, die feiner ist als ein menschliches Haar — und hochauflösende Bilder neuronaler Strukturen liefert. Mit diesem dünnsten Endoskop der Welt ist es erstmals möglich, Hirnzellen bei der Arbeit zu beobachten.

Für diesen Durchbruch hat das Forscherteam mit den Ansätzen traditioneller Endoskopie gebrochen und zwei große technologische Hürden überwunden. Eine von Tomáš Čižmár erforschte neuartige holografische Methode sorgt dafür, dass die Bilder trotz des schmalen Wellenleiters nicht verfremdet werden. Die speziell entwickelte Faser ist flexibel genug für den Einsatz in einem lebendigen Organismus und ermöglicht dennoch einen Lichttransport, der gegen Biegung unempfindlich ist und unverzerrte Bilder garantiert.

Die Technologie liefert Bilder von Hirnzellen und neuronalen Prozessen im visuellen Kortex und Hippocampus mit Details, die tausendmal kleiner als ein Millimeter sind. Den Neurowissenschaften eröffnet sie damit neue Möglichkeiten, um der Entstehung schwerer neuronaler Veränderungen wie Alzheimer auf die Spur zu kommen — und besser zu verstehen, wie unser Gehirn funktioniert.

Grundlagenforschung

Einfluss von mikrobieller Kommunikation im Plankton auf globale Stoffkreisläufe

Kategorie: Grundlagenforschung
Thema: Einfluss von mikrobieller Kommunikation im Plankton auf globale Stoffkreisläufe
Institution: Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie Jena
Forscher: Prof. Dr. Georg Pohnert

Beschreibung des Projektes

Im Plankton unserer Meere findet sich eine unglaubliche Vielfalt von Mikroorganismen. Ganz wichtig sind die einzelligen Algen, die fast genau so viel Photosynthese betreiben wie alle Landpflanzen zusammengenommen. Die Gruppe um Georg Pohnert beschäftigt sich mit diesen Algen und geht dabei komplett neue Wege. Durch die Entwicklung raffinierter analytischer Methoden ist das Team in der Lage, sogar einzelne Zellen des Planktons chemisch zu untersuchen. So werden die chemischen Antworten auf Stress direkt an der Mikroalgenzelle selbst abgegriffen. Bei diesen Untersuchungen stieß das Jenaer Forschungsteam auf überraschende Zusammenhänge der Algenchemie mit dem globalen Schwefelkreislauf. Schwefel findet sich in unterschiedlichen Verbindungen überall auf der Erde: in der Atmosphäre, den Weltmeeren und an Land. All diese Erscheinungsformen sind in einem Kreislauf miteinander verbunden. Das Element wird als Mineral zunächst reduziert und in eine organische Form transferiert, dann von Organismen herumgereicht, bis es schließlich in die Atmosphäre gelangt, dort oxidiert wird und gelöst im Regen auf das Land und in die Meere zurückkehrt. Durch die Arbeiten an der Algen-Chemie hat die Pohnert-Gruppegemeinsam mit Kollegen aus den USA in diesem schon lange bekannten Kreislauf eine unerwartete Abkürzung entdeckt. Ihre Entdeckung wurde im renommierten Forschungsmagazin Nature publiziert.

Pohnert fand heraus, dass bestimmte einzellige Algen und Bakterien, die als Teil des Planktons im Meer existieren, eine neue chemische Verbindung mit dem komplizierten Namen Dimethylsulfoxoniumpropionat, kurz DMSOP, produzieren. Damit hat er wertvolle Informationen über den globalen Schwefelkreislauf abgeleitet und kann jetzt enorme Mengen im Schwefelfluss neu erklären. Auch wenn eine Mikroalge nur verschwindend kleine Mengen der Verbindung produziert, sind das in der Summe mehrere Teragramm, also mehrere Milliarden Kilogramm pro Jahr. Denn die einzelligen Algen sind in den Weltmeeren ungeheuer aktiv. Mit den Befunden der Jenaer Chemiker lässt sich somit das unglaublich vielfältige Wechselspiel von Mikroorganismen im Plankton bis in mikroskopische Details hinein verstehen und auch Ableitungen für den globalen Schwefelkreislauf der Erde ermöglichen, was wichtige Erkenntnisse für Atmosphären- und Klimamodelle liefert.

Grundlagenforschung

Postwachstumsgesellschaften

Kategorie: Grundlagenforschung
Thema: Postwachstumsgesellschaften
Institution: Friedrich-Schiller-Universität Jena, Ludwig-Maximilians-Universität München
Forscher: Prof. Dr. Klaus Dörre, Prof. Dr. Hartmut Rosa (Jena), Prof. Dr. Stephan Lessenich (München)

Beschreibung des Projektes

Die Professoren Klaus Dörre, Stephan Lessenich und Hartmut Rosa sind die Initiatoren der DFG-Kollegforschungsgruppe „Landnahme, Beschleunigung, Aktivierung. Zur (De-)Stabilisierung moderner Wachstumsgesellschaften“. Ihre zentrale Arbeitsthese lautet: Moderne kapitalistische Gesellschaften, die sich nur durch rasches, permanentes Wachstum stabilisieren können, sind in eine langwierige und historisch neuartige ökologisch-ökonomische Zangenkrise geraten. Zwar wird über die Grenzen des Wachstums seit langem diskutiert, neu ist jedoch, dass der Transformationsdruck mittlerweile die nationalen Wirtschaftsmodelle und mit ihnen auch den Alltag der Menschen erreicht hat.

Ziele wie das einer vollständigen Dekarbonisierung der Wirtschaft bis 2050 zwingen die frühindustrialisierten Länder zu dramatischen Veränderungen ihrer Produktions- und Lebensweisen. Sie stehen vor einer „Nachhaltigkeitsrevolution“ (Dörre). Je länger sie sich damit begnügen, die sozialen und ökologischen Kosten ihres Wohlstands zu „externalisieren“ (Lessenich), desto rascher „schrumpft ihre Zukunft“ (Rosa), sprich: die Zeit, die für eine Wende zur Nachhaltigkeit noch bleibt. Das Kolleg ergeht sich aber nicht in apokalyptischen Szenarien. Seine Arbeiten beginnen dort, wo naturwissenschaftliche Expertise endet. Dörre, Lessenich und Rosa untersuchen die strukturellen Wachstumszwänge moderner Gesellschaften, um sodann in experimentellen Verfahren potentielle Alternativen auszuloten. Ausgangspunkt der Forschungen sind die Dynamisierungsimperative Landnahme (Dörre), Beschleunigung (Rosa) und Aktivierung (Lessenich), die systematisch mit Gegenbegriffen wie sozial-ökologische Nachhaltigkeit, Resonanz und Solidarität kontrastiert werden.

Die Forschungsleistung des Kollegs besteht vor allem darin, die sozialen Mechanismen eines „Immer mehr und nie genug“ systematisch untersucht zu haben. Dank der Arbeit des Kollegs weiß man heute nicht nur in der Soziologie: Wirtschaftswachstum, das auf hohem Energie- und Ressourcenverbrauch sowie auf steigenden Emissionen beruht, ist Teil des Problems, nicht seiner Lösung. Vor allem aber ist nun bekannt, welche ökonomischen, sozialen und kulturellen Wachstumstreiber wirken. Geklärt ist, woraus systemische Steigerungszwänge resultieren, welche Mechanismen sie in Gang setzen und wie die gesellschaftlichen Folgen aussehen. Auf der Grundlage einer solchen Analyse gelingt es Dörre, Lessenich und Rosa, exemplarisch Auswege aus der Zangenkrise zu erkunden und Umrisse demokratischer Postwachstumsgesellschaften zu skizzieren.