Schlagwort-Archive: Technik u. Energie

Buchmesse: Giganten der Physik

Aus den Lebensbeschreibungen geistig großer Männer wissen wir, dass sich in ihnen das Ideal dramatischer Spannung nur selten verwirklicht. Sie sind keine Romanhelden mit verwickelten Erlebnissen und abenteuerlichen Daseinsproblemen, welche die Fantasie der Betrachter sonderlich beschäftigen können. Wer ihre Entwicklung verfolgt, der bemerkt bei den meisten das Vorwalten der inneren Linie, deren Verlauf sich nur aus dem Studium ihrer Werke erschließt, nicht im Gewirr äußerlich bewegter Gestaltungen. Der geistig Bedeutende, auf gedankliche Innenarbeit konzentriert, behält nur selten die Zeit übrig, um daneben eine im epischen Sinne interessante Figur zu werden. Der nachschaffende Dichter findet in ihm kein Modell, und nur in Ausnahmefällen ist es geglückt, sein Leben als ein Kunstwerk darzustellen.
Es wäre ein vergebliches Bemühen, Einsteins Leben als einen solchen Ausnahmefall zu behandeln. Man kann die Phasen seiner Entwicklung nachzeichnen, allein weder der Beschreiber, noch der Leser werden es sich verhehlen dürfen, dass diese Aufzeichnungen das Bild des Mannes nur äußerlich, chronologisch vervollständigen können. Immerhin wird eine Schrift, die sich mit ihm beschäftigt, nicht an der Aufgabe vorbeikönnen, sein Curriculum vitae zu liefern. Und wenn es teilweise etwas aphoristisch, ungegliedert ausfällt, so möge man im Auge behalten, dass es auf dem Boden der Konversation zwischen Alexander Moszkowski und Einstein entstanden ist, in Einzelheiten der Gespräche, die je nach Anlass verschiedene Episoden seines Daseins berührten. Hier nun seine Beschreibung:
Einsteins Lebensgeschichte beginnt in Ulm, der Stadt, die das höchste Bauwerk in Deutschland besitzt. Gern würde ich mich auf die Warte des Ulmer Münsters stellen, um von ihm aus eine Rundsicht über Alberts Jugend zu gewinnen; allein der Ausblick versagt, es zeigt sich nichts am Horizont, und alles beschränkt sich auf die dürftige Wahrnehmung, dass er hier im März 1879 zur Welt kam. Zu erwähnen bliebe nur die schon an anderer Stelle genannte Einzelheit, dass es etwas Physikalisches war, das zuerst die Aufmerksamkeit des Kindes in Anspruch nahm. Sein Vater zeigte ihm einmal, als er im Bettchen lag, einen Kompass, lediglich in der Absicht, ihn spielerisch zu beschäftigen. Und in dem fünfjährigen Knaben weckte die schwingende Metallnadel zum ersten Mal das große Erstaunen über unbekannte Zusammenhänge, das den im Unterbewusstsein schlummernden Erkenntnistrieb ankündigte. Für den erwachsenen Einstein besitzt die Rückerinnerung an jenes psychische Erlebnis offenbar eine starke Bedeutung. In ihm scheinen sich alle Eindrücke der frühen Kindheit zu verlebendigen, umso stärker, als die übrigen physikalischen Gegebenheiten, wie etwa der freie Fall eines nicht unterstützten Körpers, gar keinen Eindruck auf ihn hervorbrachten. Der Kompass und immer nur der Kompass! Dies Instrument redete zu ihm in einer stummen Orakelsprache, wies ihn auf ein elektromagnetisches Feld, das sich ihm Jahrzehnte später zu fruchtbaren Studien erschließen sollte. …

Bibliographische Angaben:
Buchtitel: Giganten der Physik: Die Top10-Physiker der Menschheitsgeschichte
Autor(en): Klaus-Dieter Sedlacek;
Taschenbuch: 216 Seiten
Verlag: Books on Demand
ISBN 978-3-7431-3800-1
Ebook: ISBN 978-3-7431-2224-6
Bezug über alle relevanten Buchhandlungen, Online-Shops und Großhändler – z. B. Amazon, Apple iBooks, Tolino, Google Play, Thalia, Hugendubel uvm.

Rezensionsexemplar: presse(at)bod.de

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Meerwasserentsalzung: Neue energiesparende Technik entwickelt

Eine neue Methode zur Entsalzung von Meerwasser wird von einem amerikanisch-deutschen Team in der Zeitschrift Angewandte Chemie vorgestellt. Anders als herkömmliche Verfahren schluckt diese Methode wenig Energie und ist sehr einfach. Diese „elektrochemisch vermittelte Meerwasserentsalzung“ basiert auf einem Mikrokanalsystem und einer bipolaren Elektrode.

Die Vereinten Nationen schätzen, dass bereits ein Drittel der Weltbevölkerung in wasserarmen Gegenden lebt, bis 2025 soll sich diese Zahl verdoppeln. An Salzwasser herrscht dagegen kein Mangel. Eine naheliegende Lösung ist daher, Meerwasser zu entsalzen. Allerdings ist das gar nicht so einfach. Verfahren wie die Verdampfung und anschließende Kondensation des Wassers verbrauchen enorme Mengen an Energie. Die Umkehrosmose benötigt darüber hinaus teure, empfindliche Membranen, die leicht verkeimen, und aufwendige Vorbehandlungsschritte.

Der von Richard M. Crooks (University of Texas at Austin), Ulrich Tallarek (Universität Marburg) und ihren Kollegen mit Unterstützung des US-Energieministeriums entwickelte elektrochemische Ansatz kommt dagegen ohne Membran und hohe Energiemengen aus. Die Forscher drücken das Meerwasser durch ein System aus zwei Mikrokanälen von je 22 µm Breite, einem „Hilfskanal“ und einem verzweigten Arbeitskanal, sodass ein Fluss in Richtung der Auslassöffnungen entsteht. Die beiden Kanälchen sind elektrisch über eine bipolare Elektrode verbunden. Der Hilfskanal wird an eine Spannungsquelle angeschlossen, der Arbeitskanal geerdet und eine Potentialdifferenz von 3.0 V zwischen den Kanälen eingestellt.

Entscheidend ist der Aufbau des Kanalsystems: Die Elektrode ragt in die Verzweigungsstelle des Arbeitskanals. Aufgrund der Spannung wird ein Teil der negativ geladenen Chloridionen des Meerwassers an diesem Ende der Elektrode zu neutralem Chlor oxidiert. In dem feinen Kanalsystem entsteht dadurch an der Stelle der Abzweigung eine Zone, die an negativ geladenen Ionen verarmt ist, und als Folge ein elektrischer Feldgradient, der die positiv geladenen Ionen des Meerwassers in den abzweigenden Kanal dirigiert. Da aus physikalischen Gründen aber die Elektroneutralität innerhalb des Mikrokanals gewahrt bleiben muss, wandern auch die Anionen mit in die Abzweigung. Im abzweigenden Kanälchen entsteht so ein mit Salz angereicherter Strom, während in der Weiterführung des Arbeitskanälchens teilentsalztes Wasser fließt.

Die für die neue Technik benötigte Energiemenge ist so gering, dass das System mit einer einfachen Batterie arbeiten kann. Anders als bei der Umkehrosmose sind lediglich Sand und Schmutz aus dem Meerwasser zu entfernen, weitere Vorbehandlungsschritte, eine Desinfektion oder Zugabe von Chemikalien sind nicht erforderlich. Durch einfache Parallelschaltung vieler Mikrokanalsysteme kann der Wasserdurchsatz entsprechend erhöht werden. (Quelle: idw).

Technologischer Durchbruch: Riesige Stromspeicher für Wind- und Sonnenenergie

Forschern von Fraunhofer UMSICHT ist es durch ein neues Design gelungen, die Größe und Leistungsfähigkeit der Batteriestacks zu erhöhen. © Fraunhofer UMSICHT

Sonne und Wind liefern immer mehr Strom – allerdings unregelmäßig. Leistungsfähige elektrische Energiespeicher sollen das künftig ausgleichen. Fraunhofer-Forschern ist nun ein wichtiger Durchbruch gelungen: Sie haben eine Redox-Flow-Batterie mit einer Zellgröße von 0,5 Quadratmeter entwickelt. Das ist achtmal größer als die bisherigen Systeme und entspricht einer Leistung von 25 kW. Auf der Hannover Messe stellen sie den neuartigen Stromspeicher erstmals vor (8. bis 12. April).

Sonne und Wind sind wichtige Energielieferanten. Schon heute stammt fast ein Viertel unseres Stroms aus erneuerbaren Quellen. Bis 2050 soll der Bedarf sogar komplett mit Strom aus Sonne, Wind, Biomasse und Co. gedeckt werden, so das Ziel der Bundesregierung. Doch damit die Energiewende gelingt, müssen die wachsenden Mengen an Solar- und Windstrom für nachts oder windschwache Zeiten gespeichert werden – etwa in elektrischen Akkus. Redox-Flow-Batterien bieten eine gute Möglichkeit, um die Schwankungen bei erneuerbaren Energien auszugleichen und eine stetige Versorgung zu sichern. Sie speichern elektrische Energie in chemischen Verbindungen, den flüssigen Elektrolyten. Redox-Flow-Batterien bieten einige Vorteile: Sie sind kostengünstig, robust, langlebig und lassen sich individuell anpassen. Die Ladung und Entladung der Elektrolyten findet dabei in kleinen Reaktionskammern statt. Mehrere dieser Zellen werden nebeneinander zu Stapeln, Stacks, aufgereiht. Doch bislang liefern die auf dem Markt verfügbaren Batterien nur eine Leistung von 2,3 Kilowatt (kW).

Erste Präsentation auf der Hannover Messe

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen konnten nun die Größe der Stacks und damit die Leistungsfähigkeit deutlich erhöhen. Dank eines neuen Designs ist es ihnen gelungen, Stacks mit 0,5 Quadratmeter Zellgröße zu fertigen. Das ist achtmal größer als die bisherigen Systeme und entspricht einer Leistung von 25 kW. Diese Batterie präsentieren die Wissenschaftler auf der Hannover Messe. Der Prototyp verfügt über einen Wirkungsgrad von bis zu 80 Prozent.

Am Institut in Oberhausen steht für die Forschungsarbeiten eines der größten Testlabore für Redox-Flow-Batterien europaweit zur Verfügung. »Uns ist mit dem Redesign des Batterie-Stacks ein sehr wichtiger Schritt gelungen auf dem Weg, Redox-Flow-Batterien zu entwickeln, die zum Beispiel 2000 Haushalte mit Strom versorgen können«, sagt Dr. Christian Dötsch, der den Bereich Energie am Fraunhofer UMSICHT leitet. Dazu wären etwa zwei Megawatt Leistung nötig. Als nächstes konkretes Ziel stehe daher zunächst die Entwicklung eines Stacks in der Größe von zwei Quadratmetern und einer Leistung von 100 kW auf der Agenda.

 

 

Prähistorische Technik: Älteste Holzbauwerke der Welt bei Leipzig entdeckt

Der 7000 Jahre alte Brunnen von Altscherbitz bei Leipzig während der Ausgrabung. Quelle: Quelle Sächsisches Landesamt für Archäologie, Dresden
Der 7000 Jahre alte Brunnen von Altscherbitz bei Leipzig während der Ausgrabung.
Quelle: Quelle Sächsisches Landesamt für Archäologie, Dresden

Ein Forschungsteam um Willy Tegel und Dr. Dietrich Hakelberg vom Institut für Waldwachstum der Universität Freiburg hat das Alter von vier Brunnen der frühesten mitteleuropäischen Ackerbaukultur mithilfe der Dendrochronologie oder Jahrringdatierung genau bestimmt. Die Brunnen wurden in Siedlungen im Großraum Leipzig ausgegraben und sind die bislang ältesten bekannten Holzbauwerke der Welt. Sie stammen aus der Linearbandkeramik, der Zeit etwa von 5600 bis 4900 vor Christus. Die Forschungsergebnisse, die in der internationalen Fachzeitschrift „PLoS ONE“ veröffentlicht wurden, liefern neue Erkenntnisse zur prähistorischen Technikgeschichte. An der Arbeit waren Experten der Archäologie und Dendrochronologie vom Freiburger Institut für Waldwachstum, vom Sächsischen Landesamt für Archäologie in Dresden und von der Eidgenössischen Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft in Birmensdorf/Schweiz beteiligt.

Die vier jungsteinzeitlichen Brunnen waren von ihren Erbauern aus Eichenholz angefertigt worden. Neben den Bauhölzern haben zahlreiche andere organische Überreste, etwa Pflanzenreste, Holzgeräte, Rindengefäße und Bastschnüre, sowie viele reich verzierte Keramikgefäße im Grundwasser unter Luftabschluss die Jahrtausende überdauert. Die Methode der Dendrochronologie erlaubte es den Wissenschaftlern, jahrgenau zu bestimmen, wann die Bäume gefällt worden waren. Damit konnten sie die Bauzeit der Brunnen eingrenzen. Demnach fällten jungsteinzeitliche Ackerbauern zwischen 5206 und 5098 vor Christus mit Steinbeilen mächtige, alte Eichen. Sie spalteten die Stämme zu Bohlen, um diese mit komplexen Eckverbindungen zu kastenförmigen Schächten zusammenzufügen. Mit moderner Laserscantechnik erfassten die Wissenschaftler die Bauhölzer und Bearbeitungsspuren und dokumentierten die hoch entwickelten Fähigkeiten der Siedlerinnen und Siedler. Die sehr gut erhaltenen Bearbeitungsspuren und Holzverbindungen zeugen von einer unerwartet anspruchsvollen Holzbautechnik.

In Mitteleuropa setzte sich im 6. Jahrtausend vor Christus die Sesshaftigkeit mit Ackerbau und Viehzucht gegenüber einer Lebensweise als Jäger und Sammler durch. Dieser Umbruch in der Geschichte der Menschheit wird als „neolithische Revolution“ bezeichnet. Um sesshaft zu werden, brauchte der Mensch feste Behausungen. Häuser jedoch sind ohne entwickelte Holztechnik nicht denkbar – die ersten Ackerbauern waren die ersten Zimmerleute. Die einzigen Überreste ihrer Häuser, die bislang ausgegraben wurden, sind allerdings Bodenverfärbungen. Mit den dendrochronologisch präzise datierten Brunnen lässt sich nun erstmals die Bedeutung von Holzbauten für die Sesshaftwerdung des Menschen genauer untersuchen. (Quelle: idw)

VW Passat fährt ohne Fahrer im Stadtverkehr von Braunschweig

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Stadtpilot“ hat die Technische Universität Braunschweig in ihrem Kompetenzzentrum, dem Niedersächsischen Forschungszentrum Fahrzeugtechnik, ein Forschungsfahrzeug entwickelt, dass automatisch eine vorgegebene Strecke im regulären Verkehr fährt. Bei Geschwindigkeiten bis 60 km/h kann das Forschungsfahrzeug „Leonie“ auf der zweispurigen Fahrbahn des Braunschweiger Stadtrings die Spur halten, Kreuzungen berücksichtigen, Hindernisse beachten sowie Abstände und Geschwindigkeiten dem fließenden Verkehr anpassen.

Die Fahrstrecke führt über einen Teil des Braunschweiger Stadtrings von der Hans-Sommer-Straße bis zur Kreuzung Mühlenpfordtstraße und zurück. Ein Sicherheitsfahrer, der notfalls eingreifen kann, ist dabei vorgeschrieben.

Forschungsprojekt „Stadtpilot“

Das Forschungsprojekt „Stadtpilot“ ist weltweit bisher das einzige Forschungsprojekt, das automatisches Fahren im realen Stadtverkehr umsetzt. Bereits 2007 hatte die TU Braunschweig mit dem VW Passat Variant „Caroline“ erfolgreich an der DARPA Urban Challenge, dem weltweit führenden Wettbewerb autonomer Fahrzeuge, teilgenommen und war einer der elf Finalisten von ursprünglich 89 Bewerbern. Aufbauend auf diesen Erfahrungen entwickelt ein interdisziplinäres Team aus drei verschiedenen Fakultäten nun den Nachfolger „Leonie“.

„Der Sprung von unserem ersten Fahrzeug ‚Caroline‘ zu ‚Leonie‘ ist groß“, erläutert Professor Markus Maurer. „Während ‚Caroline‘ beim Wettbewerb in einem kontrollierten Szenario gefahren ist, gilt es hier, das reale Verkehrsaufkommen zu bewältigen. ‚Leonie‘ hat es mit vielfältigen Verkehrsteilnehmern zu tun, die unterschiedlich und manchmal sogar regelwidrig fahren. Sie muss ihre Geschwindigkeit dem fließenden Verkehr anpassen. Und schließlich ist natürlich ein umfangreiches Sicherheitskonzept notwendig.“

„‚Leonie‘ muss nicht nur die Verkehrsregeln beherrschen, sondern auch all das, was auch ein Mensch zum Autofahren braucht. Sie muss ihre Umwelt ‚sehen‘, sie muss Entscheidungen treffen und alleine Gaspedal, Bremse und Lenkrad bedienen. Die ersten autonomen Fahrten auf dem Braunschweiger Stadtring sind allein schon auf Grund der realen städtischen Umgebung ein Meilenstein und Grundlage für viele weitere Forschungsjahre“, sagt Projektleiter Jörn Marten Wille.

Ziel des Projekts „Stadtpilot“ in den nächsten Jahren ist es, den Braunschweiger Stadtring vollständig autonom umfahren zu können. Die Herausforderungen dieses Projekts liegen in der besonders komplexen Umgebung: der dichte Verkehr auf der teilweise baulich getrennten zweispurigen Straße stellt erhöhte Anforderungen an die Umfeldwahrnehmung, die engen Straßen erfordern eine präzise Spurplanung und die dichte, urbane Bebauung erschwert die exakte Positionsbestimmung.

Forschungsfahrzeug „Leonie“

„Leonie“ ist ein VW Passat Variant, 2.0 TDI. Via Satellitenortung kann der Wagen seine Position im Straßenverkehr berechnen. Verschiedene Laserscanner und Radarsensoren sorgen dafür, dass „Leonie“ ihr Umfeld in jedem Moment wahrnehmen und dann im Rechner weiterverarbeiten kann.
Das Land Niedersachsen hat die Ausnahmegenehmigung für die Fahrten im realen Stadtverkehr (auf dem Braunschweiger Stadtring) erteilt. Sie basiert auf einem Gutachten des TÜV Nord Mobilität. Ein Sicherheitsfahrer ist dabei vorgeschrieben. Ein weiterer Fahrer gibt derzeit noch die Ampelphase ein, die noch nicht von „Leonie“ erkannt werden. (Quelle: idw; Foto: TU Braunschweig, Forschungsfahrzeug „Leonie“ vor dem Altgebäude der TU Braunschweig.)

Kontakt:
Prof. Markus Maurer
Dipl.-Ing. Jörn Marten Wille
TU Braunschweig
Institut für Regelungstechnik
Lehrstuhl für elektronische Fahrzeugsysteme
Hans-Sommer-Str. 66
D-38106 Braunschweig
Tel.: +49-531/391-63060
E-Mail: maurer@ifr.ing.tu-bs.de
wille@ifr.ing.tu-bs.de

Werden Roboter den Wissenschaftler aus Fleisch und Blut ersetzen?

Jem Rowland, Aberystwyth University Ist es möglich, einen Roboterwissenschaftler zu bauen, der neue Erkenntnisse gewinnt? Ein solcher lernfähiger, mit Künstlicher Intelligenz gefütterter Automat muss den gesamten Forschungsprozess beherrschen: Er bildet Hypothesen, testet sie durch eigenständig entworfene und durchgeführte Experimente, interpretiert die Resultate und wiederholt diesen Zyklus, bis er auf neues Wissen stößt. In der Märzausgabe von Spektrum der Wissenschaft präsentiert der Informatiker Ross D. King von der Aberystwyth University in Wales einen Apparat, der all das kann.

Der Roboter heißt Adam, sieht aber einem Menschen gar nicht ähnlich: Adam ist ein automatisches Labor von der Größe eines kleinen Bürozimmers. Die Ausrüstung umfasst unter anderem einen Kühlschrank, Vorrichtungen zum Manipulieren von Flüssigkeiten, Roboterarme, Inkubatoren und eine Zentrifuge – alles automatisiert. Natürlich besitzt Adam auch ein leistungsstarkes Computergehirn, das Schlüsse zieht und die Einzelrechner für die Hardwaresteuerung kontrolliert.

Der Forschungsroboter untersucht, wie einzellige Kleinstlebewesen wachsen, indem er bestimmte Mikrobenstämme und Nährstoffe auswählt und dann mehrere Tage lang beobachtet, wie die Kulturen gedeihen. Der Roboter kann pro Tag rund tausend solche Versuche in Gang setzen. Auf diese Weise erforscht Adam ein wichtiges und gut automatisierbares Gebiet der Biologie, die funktionelle Genomik. Sie untersucht den Zusammenhang zwischen Genen und ihrer Funktion.

Tatsächlich fand Adam einen zuvor unbekannten Zusammenhang zwischen drei Genen der Backhefe und einem bestimmten Enzym. Doch darf man Adam deshalb gleich als Wissenschaftler bezeichnen? Die Maschine ist ein Prototyp, und immer wieder muss ein Techniker eingreifen, um Fehler in der Hardware und Software zu beheben. Auch arbeiten die Softwaremodule ohne menschliche Hilfestellung noch nicht problemlos zusammen. Trotzdem: Adams Vorgehensweise, Hypothesen zu bilden und neues Wissen experimentell zu bestätigen, benötigt keine intellektuelle oder körperliche Anstrengung seitens des Menschen. In diesem Sinne arbeitet er autonom.

Unterdessen hat Kings Team einen zweiten Roboter gebaut: Eva wendet dieselben automatisierten Forschungszyklen wie Adam an, aber diesmal auf das Entwickeln und Testen von Medikamenten. Evas Forschungen konzentrieren sich auf Tropenkrankheiten wie Malaria und Schlafkrankheit. Adams automatische Kollegin hat bereits einige interessante Verbindungen gefunden, die gegen Malaria zu wirken scheinen. King ist überzeugt, dass mit fortschreitender Computertechnik und Künstlicher Intelligenz immer gewieftere Roboterwissenschaftler entstehen werden.

Ob sie jemals zu umwälzenden Erkenntnissen oder immer nur zur Routineforschung fähig sein werden, ist eine Grundfrage über die Zukunft der Naturwissenschaft. Einige Forscher meinen, durch Automatisierung sei keine wissenschaftliche Revolution zu erreichen. Andere behaupten, in hundert Jahren würde der beste Physiker eine Maschine sein. Die Zukunft wird zeigen, wer Recht behält. (Quelle: Spektrum der Wissenschaft, März 2011, Foto: Jem Rowland, Aberystwyth University )

Trinkwasser aus Wüstenluft

Kein Pflänzchen weit und breit – dafür ist es in der Wüste zu trocken. Doch in der Luft ist Wasser enthalten. Forscher haben nun einen Weg gefunden, aus der Luftfeuchtigkeit Trinkwasser zu gewinnen. Das System basiert nur auf regenerativer Energie und ist daher autark.

Risse ziehen sich durch den ausgedörrten Wüstenboden – die karge Landschaft ist geprägt von Wassermangel. Doch selbst dort, wo es an Seen, Flüssen und Grundwasser mangelt, sind in der Luft erhebliche Wassermengen gespeichert: In der Negev-Wüste in Israel beispielsweise beträgt die relative Luftfeuchtigkeit im Jahresmittel 64 Prozent – in jedem Kubikmeter Luft befinden sich 11,5 Milliliter Wasser.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart haben gemeinsam mit ihren Kollegen von der Firma Logos Innovationen einen Weg gefunden, diese Luftfeuchtigkeit autark und dezentral in trinkbares Wasser umzuwandeln. »Der Prozess, den wir entwickelt haben, basiert ausschließlich auf regenerativen Energiequellen wie einfachen thermischen Sonnenkollektoren und Photovoltaikzellen, was diese Methode vollständig energieautark macht. Sie funktioniert also auch in Gegenden, in denen es keine elektrische Infrastruktur gibt«, sagt Siegfried Egner, Abteilungsleiter am IGB. Das Prinzip: Hygroskopische Salzsole – also Salzlösung, die Feuchtigkeit aufsaugt – rinnt an einer turmförmigen Anlage hinunter und nimmt Wasser aus der Luft auf. Anschließend wird sie in einen Behälter gepumpt, der in einigen Metern Höhe steht und in dem Vakuum herrscht. Energie aus Sonnenkollektoren erwärmt die Sole, die durch das aufgenommene Wasser verdünnt ist. Der Siedepunkt liegt aufgrund des Vakuums niedriger als bei normalem Luftdruck. Diesen Effekt kennt man aus den Bergen: Da der Luftdruck auf dem Gipfel geringer ist als im Tal, kocht Wasser bereits bei Temperaturen deutlich unter 100 Grad Celsius. Das verdampfte, salzfreie Wasser kondensiert über eine Destillationsbrücke und läuft über ein vollständig gefülltes Rohr kontrolliert nach unten ab, wobei die Schwerkraft dieser Wassersäule kontinuierlich das Vakuum erzeugt – eine Vakuumpumpe ist nicht nötig. Die wieder konzentrierte Salzsole fließt erneut an der Turmoberfläche hinunter, um Luftfeuchtigkeit aufzunehmen.

»Das Konzept eignet sich für verschiedene Größenordnungen: Es sind sowohl Einzelpersonenanlagen denkbar als auch Anlagen, die ganze Hotels mit Wasser versorgen«, sagt Egner. Für beide Komponenten, die Aufnahme der Luftfeuchtigkeit und die Vakuumverdampfung, gibt es Prototypen. In Laborversuchen haben die Forscher das Zusammenspiel der beiden Komponenten bereits getestet. In einem weiteren Schritt wollen die Forscher eine Demonstrationsanlage entwickeln.  (Text: Copyright © by
Fraunhofer-Gesellschaft)

Gehirnstimulation: Tablette für doppelten Lernerfolg

Aktives Training: Die Empfindlichkeit der Fingerspitzen wird mit Drahtstiften getestet, danach werden die Hirnströme registriert.

Bei passivem Training und Gabe von Amphetamin (oben,Mitte) ergibt die Hirnstrommessung eine zunehmende Repräsentation des Zeigefingers auf der Hirnoberfläche.

Übung macht den Meister – das gilt auch für Wahrnehmungsleistungen, die sich durch Lernaufgaben kontinuierlich verbessern lassen (perzeptuelles Lernen). Nehmen Testpersonen dazu noch spezielle Medikamente ein, dann verdoppelt sich der Lernerfolg – das zeigen jetzt die beiden Bochumer Forschergruppen von PD Dr. Hubert Dinse (Institut für Neuroinformatik) und Prof. Dr. Martin Tegenthoff (Neurologische Universitätsklinik Bergmannsheil): Die Neurowissenschaftler manipulieren pharmakologisch das perzeptuelle Lernen und zugleich damit verbundene Gehirnveränderungen, die sie durch Hirnstrommessungen erfassen.

Aktives Training: Zwei Drahtstifte – zwei Reize

Perzeptuelles Lernen erfolgt durch stete Wiederholung. So lassen sich Objekte, die in ihrer Oberflächenbeschaffenheit sehr ähnlich sind, mit einiger Übung allein durch Anfassen
voneinander unterscheiden. Diese Fähigkeit zur “taktilen Auflösung” messen die Forscher psychophysisch bei Versuchspersonen, indem diese zwei dünne Drahtstifte tasten müssen, deren Abstand voneinander immer geringer wird. Der kleinste Abstand, bei dem die Versuchsperson noch zwei Drahtstifte wahrnimmt, ist die Zweipunktdiskriminationsfähigkeit. Jeder Mensch hat eine individuelle Zweipunktdiskriminationsschwelle, die sich durch langandauerndes Training herabsetzen lässt.

Lernen durch passives Training

Bereits vor etwa fünfzig Jahren postulierte der kanadische Psychologe Hebb, dass “Gleichzeitigkeit” bzw. “Simultanität” von Ereignissen synaptische Übertragung und damit Lernprozesse verbessert. Diese Erkenntnis setzen die Forscher in ein Stimulationsprotokoll um, dass die natürliche Tastwahrnehmung nachvollzieht: Mit schwachen elektrischen Impulsen reizen sie gleichzeitig und mit einer niedrigen Rate (ein Reiz je Sekunde) kleine Bereiche der Zeigefingerspitzen von Versuchspersonen. Die Reize überträgt eine bewegliche Membran auf dem Zeigefinger der Versuchsperson. Da diese “Coaktivierung” mobil über ein kleines tragbares Kästchen erfolgt, können die Testpersonen dabei “normalen” Tätigkeiten nachgehen. Das Ergebnis: Nach drei Stunden hatte sich die taktile Diskriminationsfähigkeit vorübergehend für einen Zeitraum von 24 Stunden verbessert.

Was beim Lernen im Gehirn passiert

Gleichzeitig erfassen die Forscher mit 32 Elektroden über der gesamten Hirnrinde die beim perzeptuellen Lernen ablaufenden Vorgänge im Gehirn (somatosensorisch evozierte Potenziale). Sie konnten mit der nicht-invasiven Untersuchungstechnik (“neurophysiologisches Mapping”) Lage und Ausdehnung des sensiblen Repräsentationsgebietes der Fingerspitze auf der Hirnoberfläche genau bestimmen: Die Hirnstrommessungen zeigten eine Verschiebung und Vergrößerung der Repräsentation des Zeigefingers auf der Hirnoberfläche, wenn sich die Diskriminationsfähigkeit verbesserte. Das Ausmaß des Lernerfolgs war von Person zu Person unterschiedlich.

Chemie des Lernens

Nur wenige grundlegende chemische Mechanismen kontrollieren die Effizienz von Synapsen, dazu gehört die Gruppe der sog. NMDA-Rezeptoren (N-Methyl-D-Aspartat). Ihre Aktivierung führt über eine Kette komplexer molekularer Vorgänge zu langanhaltenden Veränderungen der Synapseneffizienz, was u. a. als Langzeitpotenzierung (long-term-potentiation LTP) bezeichnet wird. In diesen Vorgängen sehen die Forscher heute die Basis synaptischer Plastizität. Die LTP ist aber auch durch andere Substanzen modulierbar und lässt sich z. B. durch die Neurotransmitter Serotonin und Noradrenalin steigern. Amphetamine, die im Gehirn Substanzen wie Dopamin, Serotonin und Noradrenalin freisetzten, verstärken somit auch die synaptische Plastizität.

Die Tablette für den Lernerfolg

Nun stellte sich die Frage, ob Substanzen, die auf der Ebene der Synapsen das Lernen ermöglichen und verbessern, auch bei Einnahme durch die Versuchspersonen einen solchen positiven Effekt auf das perzeptuelle Lernen haben würden: Mithilfe einer einmaligen Applikation der Substanz Memantine, die den NMDA-Kanal blockiert, eliminierten die Forscher den Lernerfolg zunächst vollständig. Durch Messung der Tastschwellen des linken, nicht-coaktivierten Zeigefingers konnten sie unspezifische Nebenwirkungen des Medikaments ausschließen. Dann erhielten die Testpersonen eine einmalige Gabe Amphetamin (Psychopharmaka), was tatsächlich zu einer Verdoppelung des Lernerfolges führte, ohne Nebenwirkungen auf die Empfindung des nicht-coaktiverten linken Fingers zu verursachen. Die Hirnstrommessungen zeigten entsprechende Veränderungen: Die Blockade des Lernens unter Memantine schränkte die Hirnveränderungen ein, während der doppelte Lernerfolg durch Amphetamin zu einer Ausdehnung der Hirnrepräsentation führte.

Therapieausblick: “Brain-Training”

Die Ergebnisse stehen möglicherweise am Anfang einer neuen Ära, in der sich Gehirnfunktionen und damit das Verhalten durch eine Kombination von Training, Stimulation und medikamentöser Therapie aktiv und gezielt verändern lassen. Das entwickelte Coaktivierungsprotokoll beruht auf einer passiven Stimulation über mehrere Stunden, die zu massiven Änderungen von Gehirnorganisation und Verhalten führte. Dieses passive Training verspricht neue Therapieansätze: Gerade für ältere Menschen oder Patienten mit neurologischen Störungen, z. B. nach einem Schlaganfall oder einer Hirnverletzung. Sie können sich oft nicht ausreichend lange auf die erforderlichen Therapien konzentrieren oder selbst aktiv mitmachen. Der passiv orientierte Therapieansatz spart zudem Kosten – aufgrund seiner geringeren Personalintensität. (Quelle: idw)

Roboter Rhoni soll als Pflegekraft eingesetzt werden

Roboter Rhoni lernt an der Hochschule Niederrhein das Laufen. Foto: Lammertz

Rhoni (sprich Ruuni) ist ein amerikanischer Vorname, der sowohl für Jungen wie für Mädchen gewählt werden kann. Im konkreten Fall gehört er dem ersten humanoiden Roboter der Hochschule Niederrhein, der jetzt im Fachbereich Wirtschaftsingenieurwesen und Gesundheitswesen angeliefert wurde. Gebaut hat ihn die Firma H&S-Robots im Thüringischen. Studenten des Wirtschaftsingenieurwesens sollen ihm programmiererisch jetzt das Laufen beibringen, damit er in der Alten- und Krankenpflege eingesetzt werden kann.

Der oder die 1,80 Meter große Rhoni glotzt mit seinen/ihren Sensoraugen derzeit noch ziemlich verständnislos in die Welt. Dabei kann der Prototyp werksseitig schon eine ganze Menge, nur eben noch nicht laufen. Es fehlen noch die Beine, und die Fortbewegung ist der schwierigste Part, so Ben Schaefer, der Vater von Rhoni. Wie für ein menschliches Baby hat er für seinen Spross aber einen Lauflernrahmen entwickelt. Dieser Lauftrainer ermöglicht dem Roboter Bewegungsabläufe, ohne die Balance zu verlieren. Denn wer laufen will, muss gehen lernen, und unabhängig von den Bodenverhältnissen die Waage halten. Das sei eine riesige Herausforderung für Ingenieure, Techniker und Programmierer, so Schaefer, der damit zugleich große Hoffnungen auf die Entwicklerkunst der Krefelder Studierenden setzt. Sie werden von den Professoren Hans-Jürgen Buxbaum (Automatisierung und Robotik), Markus Kleutges (Technische Systeme) und Ulrich Hemmert (Organisation und Datenverarbeitung) betreut.

Irgendwann ist dann einmal der große Moment gekommen und das Lauflerngerät wird abgenommen. Dann muss Rhoni, beobachtet von seinen studentischen Vätern und Müttern, die ersten eigenen Schritte machen. “Nicht für schwache Nerven”, so Monika Schaefer, die Mutter des Erfinders. Bis es so weit ist, wird das Roboterkind auf eine rollende Antriebsplattform gesetzt, mit der es auch ohne Beine mobil sein kann. So kann es während der Testreihen mühelos von Rechner zu Rechner oder Meßgerät zu Messgerät gerollt werden. Der humanoide Roboter soll, so Professor Kleutges, für die Übernahme von Aufgaben im Pflegebereich entwickelt werden, wobei eng mit den Lehrenden und Studierenden des Gesundheitswesens im gleichen Haus zusammengearbeitet wird. Beim Aufstehen und Anziehen helfen, das Essen bringen, die Bewohner von Station zu Station fahren – in vielen Bereichen können Pflegekräfte physisch starke Hilfe gebrauchen. Auch Rhonis Äußeres wird einem Menschen angeglichen, ganz so, wie man es im Kassenschlager “I Robot” bereits sehen konnte. Ob der Roboter später eine Schürze mit Häubchen oder Hosen und einen Kittel tragen wird, bleibt abzuwarten. (Quelle: idw)

Die Realisierung von Quantencomputern rückt näher


(idw). Die Eigendrehung der Elektronen – der “Spin” – liegt in der heutigen Elektronik noch brach. Könnte man ihn als Informationsträger nutzen, würde sich die Rechenleistung elektronischer Bauteile schlagartig vervielfachen. Bochumer Physikern ist es zusammen mit Kollegen aus Dortmund, St. Petersburg und Washington jetzt gelungen, den Elektronenspin auszurichten, zum kontrollierten “Torkeln” zu bringen und auszulesen. Mittels optischer Impulse konnten sie die Spins der Elektronen auch jederzeit beliebig neu ausrichten.
“Das ist der erste, wichtige Schritt zu einer Adressierung dieser ‘quanten bits’, die in künftigen Datenübertragungssystemen und Rechnern Einzug halten werden”, freut sich Prof. Dr. Andreas Wieck. Die Forscher berichten in NATURE Physics.

Komplexe Rechenoperationen auf kleinstem Raum

Die gesamte heutige Elektronik gründet sich auf elektrische Ladung: Wenn eine Speicherzelle (Bit) elektrische Ladung enthält, entspricht dies logisch “1”, ist keine Ladung enthalten, entspricht dies logisch “0”. Aber Elektronen enthalten nicht nur Ladung – sie drehen sich auch wie ein Kreisel um die eigene Achse und erzeugen so ein Magnetfeld, ähnlich dem der Erde. Durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds kann man dieses Kreiseln beschleunigen oder verlangsamen, den “Kreisel” zum Torkeln bringen und seine Achse in fast beliebige Winkel kippen. Wenn man diese vielfältigen Möglichkeiten als Informationsträger nutzt, kann man mit einem Elektron sehr viel mehr Information als nur “0” und “1” speichern. Darüber hinaus können benachbarte Elektronen, da sie wie zwei Pinwand-Magnete Kräfte aufeinander ausüben, in verschiedene Konfigurationen gebracht werden, was die Datenspeicherung und -verarbeitung noch komplexer gestalten kann. Solche so genannten Quantenbits (“qubits”) können schon in geringer Anzahl von nur einigen zig qubits anstelle einiger Millionen Bits sehr komplexe Rechenvorgänge ausführen.

Spins einsperren in Indium-Arsenid-Inseln

Natürlich ergibt ein einzelnes Elektron nur wenig messbare Wirkung. Dadurch sind Einzel-Elektronenmessungen nur mit höchstempfindlichen Instrumenten unter großen Schwierigkeiten durchführbar. Eine Spezialität des internationalen Forscherteams ist es daher, rund eine Million Elektronen in jeweils fast genau gleiche Indium-Arsenid-Inseln (“Quantendots”) einzusperren und ihre Wirkung zu addieren. Diese “ensemble”-Messungen ergeben um sechs Größenordnungen stärkere Signale, die einfach aufzuzeichnen und sehr robust sind. “Entgegen den Vorurteilen vieler internationaler Konkurrenten verhalten sich dabei alle beteiligten Elektronenspins genau gleich und die mikroskopischen Effekte können daher sehr einfach gemessen werden”, so Wieck.

Quantendots optisch schalten

In der in “NATURE” veröffentlichten Studie ist es nun gelungen, diese Elektronenspins nicht nur auszurichten, sondern auch optisch mit einem Laserpuls zu beliebigen Zeitpunkten in eine gewünschte Richtung zu drehen und diese Richtung mit einem weiteren Laserpuls auszulesen. Dies ist der erste wichtige Schritt, um qubits zu “adressieren” und zu beeinflussen. “Das Interessante ist dabei, dass diese Elektronen in Festkörper eingeschlossen sind, man also nicht wie z.B. bei der Quantenoptik aufwändige Höchstvakuumtechnik und allseitigen Lichteinschluss braucht, um sie dauerhaft in einem Bauelement halten zu können”, unterstreicht Prof. Wieck. Das Höchstvakuum wird nur einmal bei der Herstellung der Quantendots in Bochum benötigt, danach ist das Halbleitersystem gegen Lufteinfluss versiegelt, langlebig und zuverlässig wie alle heute schon verwendeten Transistoren und Speicherzellen.

Die Diagramme zeigen das “Torkeln” der Spins (Amplitude der Schwingung, nach oben aufgetragen) nach einem Ausrichtungs-Laserpuls in Abhängigkeit der Zeit. Eine Schwingungsperiode entspricht einem vollen “Torkel”-Umlauf. Wie zu erwarten, nimmt die Stärke (Amplitude) mit der Zeit bei allen roten Kurven ab. Nach 1,2 Nanosekunden (ns) wird ein Laser-Kontrollpuls eingestrahlt, der die Ausrichtung der Spins schlagartig verändert, was man an der Phase der blauen und schließlich grünen Kurve sehen kann: Sie ist genau in Gegenphase zur schwarzen unteren Kurve, die ohne Kontrollpuls aufgenommen wurde. Zusätzlich schaukelt sich dieses Torkeln in Gegenphase bei 2,4 ns auf, sodass das Signal dann besonders groß wird, was die Auslesung erheblich erleichtert.

Titelaufnahme

A. Greilich, Sophia E. Economou, S. Spatzek, D. R. Yakovlev, D. Reuter, A. D. Wieck, T. L. Reinecke & M. Bayer: Ultrafast optical rotations of electron spins in quantum dots. In: NATURE Physics, 22.3.2009, DOI 10.1038/NPHYS1226