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forschung magazin Mai 2014

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forschung magazin Mai 2014
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Impressum /// Herausgeber: Vizepräsident für Forschung und Technologietransfer, Prof. Dr. Matthias Hannig, Universität des Saarlandes. Redaktion: Beate Wehrle,
www.vmk-verlag.de ISSN: 0937-7301 Preis: EURO 2,50 Namentlich gekennzeichnete Beiträge geben nicht unbedingt die Meinung des Herausgebers wieder.
Fotos: wenn nicht anders gekennzeichnet, eigenes Archiv der Autoren. Titelbild: iStock/republica, Anzeigenverwaltung und Druck: VMK – Verlag für Marketing und Kommunikation GmbH, Tel.: 06243/909-0, Fax: 06243/909-400,
Postfach 15 11 50, 66041 Saarbrücken, Tel.: 0681/302-2656, Fax:0681/302-4270, E-Mail: [email protected] Erscheinungsdatum: Mai 2014
Präsidialbüro, Tel.: 0681/302-3886 Satz und Gestaltung: Maksimovic & Partners, Agentur für Werbung und Design GmbH Vertrieb: Präsidialbüro der Universität des Saarlandes,
Julia Baumgarten, Anette Beata Britz,
Prof. Dr. Rolf Hempelmann,
Prof. Dr. Christian Theobalt
Informatik
Dr. Maximilian Linxweiler
Dr. Markus Greiner
Prof. Dr. Stefan Seelecke
Mechatronik
Kurznachrichten
magazin forschung
1/14
4 Batterien als Speicher für
regenerative Energien
Vinoba Vijayaratnam, Bernd Schley
Physikalische Chemie
12 CapReal – Rekonstruktion realer Szenen aus
Kameraaufnahmen
16 Ein altbekannter Wirkstoff als neue Hoffnung
für Tumorpatienten?
Dr. Johannes Linxweiler
Stefan Schorr
Prof. Dr. Richard Zimmermann
Prof. Dr. Adolfo Cavalié
Medizin
24 Unkonventionelle Aktoren in der
Mechatronik – Elektroaktive Polymere
29 Aus der Forschung
Batterien als Speicher für
regenerative Energien
Prof. Dr. Rolf Hempelmann, Julia Baumgarten, Anette Beata Britz, Vinoba Vijayaratnam, Bernd Schley
Physikalische Chemie
Die Energiewende, also der Umstieg der Energieversorgung von nuklearen und fossilen Energieträgern auf
erneuerbare Energien, ist eines der wichtigsten gesellschaftlichen Ziele der kommenden Jahrzehnte. Deutschland
soll bis zum Jahr 2050 seine Energie hauptsächlich aus regenerativen Quellen wie z.B. Windkraft oder Sonnenenergie
beziehen. Aktuell kommen noch 68 % der weltweit genutzten elektrischen Energie aus fossilen Brennstoffen wie
Kohle, Erdgas und Öl. [1] Doch aufgrund der fortschreitenden und schnellen Ressourcenknappheit sind die
Weiterentwicklung regenerativer Energiequellen und vor allem deren Speicherung von essentieller Bedeutung.
[2] Dabei wären stationäre Batteriesysteme eine elegante Lösung: Sie könnten fluktuierende Energien wie
Sonnen- und Windkraft speichern und bei Bedarf wieder abgeben.
1. Erneuerbare Energiequellen und deren Speicherung
Unsere Energiequellen (s. Abb. 1) lassen sich in drei Klassen einteilen. Konventionelle
Energien: Kohle, Öl, Gas und Kernenergie benötigen keine Speicherung und können je nach
Bedarf verwendet werden. Zur zweiten Quelle gehören solche erneuerbaren Energien (EE),
die geringe Schwankungen aufweisen und kontinuierlich zur Verfügung stehen: Biogas, Wasserkraft, Verbrennung von Abfall und die Geothermie. Die dritte Klasse beinhaltet die fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen: Sonnen- und Windenergie. [3]
Abb. 1: Einteilung der Energiequellen.
Die Gewinnung von Elektrizität aus fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen ist jetzt und in der Zukunft erforderlich aufgrund der wachsenden Erdbevölkerung, der konstanten Nachfrage nach Energie, des Rückgangs unserer
Ressourcen sowie der wünschenswerten Senkung des CO2-
Haushaltes. Ebenso besteht eine politische Notwendigkeit,
die Abhängigkeit von Energieimporten zu verringern. Der
Ausbau der fluktuierenden erneuerbaren Energien ist in
Deutschland im EEG (Erneuerbare Energien Gesetz) festgehalten. Nach dem Kernreaktorunglück in Fukushima
(März 2011) wurde ein Ausstieg aus der Kernenergie bis
2022 beschlossen. Jedoch erzeugten im Jahr 2012 die fossilen (382 TWh/a) und nuklearen (100 TWh/a) Kraftwerke
den Hauptanteil der Energie von insgesamt 617 TWh/a,
die erneuerbaren Energien wiesen hingegen (Sonnen- und
Windenergie) nur 73 TWh/a vor. [4] Der Anteil an der Energieversorgung soll bis 2025 bei 45% und 2050 bei 80%
liegen. Da die regenerativen Energiequellen Fluktuationen
in ihrer Stromerzeugung aufweisen (z. B. scheint die Sonne
nur am Tage) sind Speichertechnologien unumgänglich, um
eine Systemstabilität zu gewährleisten. In Abbildung 2 sind
mögliche Speichertechnologien in Abhängigkeit von ihrer
Entladezeit und Systemleistung aufgetragen.
Der Batteriesektor bietet dabei eine Lösung, um große Mengen an Energie zu lagern bzw. diese als Puffer zu nutzen,
sobald eine diskontinuierliche Stromversorgung oder Lastschwankung auftritt. Die Systemleistungen der stationären
Batterien liegen im Bereich von 10 kW bis 10 MW.
Der Wirkungsgrad solcher stationären Speichertechnologien liegt bei 80 – 85 %. Aufgrund verlustreicher Prozesse
während des Betriebes sind keine 100 % möglich. Abbildung
3 veranschaulicht die jeweiligen Verluste in der Polarisationskurve. Bei niedrigen Stromdichten sind hauptsächlich
Aktivierungsüberspannungen verantwortlich für die internen Zellverluste. Diese sind von den elektrochemischen
Reaktionen und der Elektrodenstruktur abhängig. Gegenmaßnahmen könnten eine Erhöhung der Konzentration oder
eine Erniedrigung der Aktivitätsbarriere, d. h. höhere Aktivität durch Katalysatoren oder hochporöse Elektroden, sein.
Jede Batterie besitzt Innenwiderstände, die sich als ohmscher
Spannungsabfall bemerkbar machen. Zu den Innenwiderständen gehören der innere Aufbau, der Elektrolyt und die
Membran. Durch Transportverluste entwickeln sich Diffusionsüberspannungen, d. h. es kann nicht mehr genug geladener Elektrolyt nachgeliefert werden, die Batterie ist entladen.
Abb. 2: Energiespeichersysteme in Abhängigkeit der Entladezeit bei ihrer jeweiligen Nenn- und Systemleistung.
[CAES: Compressed Air Energy Storage: Druckluftspeicherkraftwerk; SMES: Supraleitende Magnetische Energiespeicher] [5]
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Abb. 3: Polarisationskurve einer Batterie
All diese Verluste wirken sich auch auf die Effizienzen aus,
die zur Charakterisierung einer Batterie verwendet werden.
Zu den Effizienzen gehören die Spannungseffizienz (VE), die
Coulombeffizienz (CE) und die Energieeffizienz(EE).
冮 UEntladen(t)dt
VE=
冮 ULaden(t)dt
QEntladen
CE=
QLaden
2. Die Redox-Flow-Batterie (RFB)
Die Redox-Flow-Batterie (RFB) wurde schon 1884 von
dem Franzosen Charles Renard entwickelt. Zusammen mit
Arthur C. Krebs setzte er das Militär-Luftschiff ›La France‹ mit einem Propeller in Bewegung, der durch eine 435 kg
schwere Zink-Chlor-RFB betrieben wurde. [6] Allerdings ist
diese Erfindung danach schnell in Vergessenheit geraten: Erst
1973 trieb die NASA die Forschung an dieser Batterie weiter,
wobei sie Eisen und Chrom als reaktive Spezies verwendete.
Die Zelle sollte als Zwischenspeicher für Solarenergie auf
dem Mond dienen. Zu einer konventionellen Verwendung
kam es jedoch nie, da die frühen Redox-Flow-Batterien einige
entscheidende Nachteile aufwiesen: Zum einen fanden die
elektrochemischen Reaktionen unter hohen Temperaturen
und hohem Druck statt, zum anderen waren die Reagenzien
teilweise sehr giftig. Dies änderte sich im Jahr 1984, als Maria
Skyllas-Kazacos und ihre Mitarbeiter an der University of
South Wales die Vanadium-Redox-Flow-Batterie entwickelten.
2.1. Aufbau einer konventionellen Vanadium-RFB (VRFB)
Das charakteristische Merkmal aller Redox-Flow-Batterien ist, dass die chemische Energie nicht wie üblich in einem
Feststoff, sondern in einem flüssigen Elektrolyten gespeichert
wird. Dieser lagert in zwei separaten Tanks und kann bei Bedarf in der Zelle umgesetzt werden (s. Abb. 4). [7]
EE = VE . CE
Die Spannungseffizienz ist definiert durch die Entladespannung (UEntladen) geteilt durch die Ladespannung (ULaden), die
Coulombeffizienz resultiert aus der Entladekapazität (QEntladen)
geteilt durch die Ladekapazität (QLaden). Die Energieeffizienz
ist das Produkt der Spannungs- und Coulombeffizienz. Verluste der Coulombeffizienz können verursacht werden durch
Nebenreaktionen während des Ladens und das Durchmischen von Ionen durch die Membran. Die Spannungseffizienz
hingegen wird durch die Ohmschen- und Polarisationsverluste während des Zyklus beeinflusst.
In diesem Artikel sollen die Redox-Flow- und die ZinkLuft-Batterie als mögliche Speicher vorgestellt werden. Die
Forschung an der Redox-Flow-Batterie (Projekt ›RFB Solar‹)
wird im Rahmen eines Interreg IV-A-Projektes der Europäischen Union unterstützt und ist eine Kooperation mit der
Universität Lothringen. Das vom Bund finanzierte Projekt
›Zink Plus‹ ist eine Kooperation mit Bayer Material Sciences
und weiteren Hochschulen und Forschungsinstituten.
Abb. 4: Aufbau einer konventionellen Vanadium-Redox-Flow-Batterie.
Der Elektrolyt der Vanadium-Redox-Flow-Batterie besteht
aus einem Vanadiumsalz, das in Schwefelsäure gelöst ist. Die
Besonderheit des Elements Vanadium liegt darin, dass es in
vier unterschiedlichen Oxidationsstufen vorkommt (+2, +3,
+4, +5), die alle eine andere Farbe aufweisen: violett, grün,
blau und gelb (s. Abb. 5). Somit lässt sich der Ladezustand
der Batterie sehr gut von außen beobachten.
2.2. Elektroden
Die ideale Elektrode hat eine hohe chemische und mechanische Stabilität, ist extrem leitfähig, hat eine hohe aktive
Oberfläche und ist in der Lage, den flüssigen Elektrolyten
gut zu verteilen. Traditionell werden in der Vanadium-Redox-Flow-Zelle kohlenstoffbasierte Materialien verwendet,
insbesondere Graphitfilze, welche die oben genannten Eigenschaften aufweisen (s. Abb. 6). [8]
Abb. 5: Verschiedene Oxidationsstufen der Vanadium-Ionen:
a) VO2+, b) VO2+, c) V3+, d) V2+
Im Inneren der Batterie befinden sich zwei Elektroden, die
Anode (Minuspol) und die Kathode (Pluspol). Die beiden
Elektrodenräume, durch die der jeweilige Vanadium-Elektrolyt zirkuliert, sind durch eine ionenleitende Membran voneinander getrennt. An den Elektroden finden beim Entladen
folgende Reaktionen statt:
3+
Oxidation (Anode):
V2+ C
MV + e
+
2+
+
Reduktion (Kathode): VO2 + 2H + e- C
M VO + H20
Physikalische Chemie
Die Anode stellt Elektronen zur Verfügung, die Kathode
nimmt diese wieder auf. Somit fließt also ein Strom zwischen
beiden Elektroden. Aufgrund der Elektrodenreaktionen entsteht zwischen den Halbzellen ein Ladungsungleichgewicht,
weshalb zum Ladungsausgleich H+-Ionen durch die Membran
diffundieren müssen. Da es sich um eine wiederaufladbare
Batterie handelt, sind die Reaktionen wieder umkehrbar. In
der Regel kommen solche Batterien jedoch nicht als Einzelzellen vor, sondern sind zu sogenannten Stacks gestapelt. So
wird ein Vielfaches an Leistung erreicht.
Ein Vorteil dieser Batterie liegt darin, dass sich Kapazität
und Leistung getrennt voneinander optimieren lassen. Die
Speicherkapazität (in kWh) gibt die Menge an elektrischer
Ladung an, die die Batterie liefern bzw. speichern kann und
ist über die Größe der externen Tanks regulierbar: Je mehr
Volumen an Elektrolyt vorhanden ist, desto höher ist die Kapazität. Die Leistung (in kW) ist die Menge an elektrischer
Energie, die pro Zeiteinheit entnommen werden kann. Sie ist
das Produkt aus Entladestrom und -spannung. Sie lässt sich
über die Funktionsmaterialien der Batterie an sich optimieren: Elektroden, Membran und Elektrolytsystem. Weitere
Vorzüge sind der Betrieb bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck, die hohe Zyklenstabilität, die geringe Umweltbelastung und der geringe Wartungsaufwand. [7] Außerdem
kommt es nicht zu einer Kreuz-Kontamination, einer Vermischung der beiden Elektrolyten, da auf beiden Seiten der
Membran das gleiche aktive Element vorliegt.
7 6
3 7
Abb 6: Graphitfilz GFD5 EA der Firma SGL.
Dennoch kann durch geeignete Modifikationen die Stromdichte und somit die Energieeffizienz weiter verbessert werden. Dies ist wichtig, da auf diese Weise die Elektrodenoberflächen und Stackgrößen verringert werden können und
eine Absenkung der Gesamtkosten resultiert. Eine geeignete
Methode zur Aktivitätserhöhung ist beispielsweise die Generierung von funktionellen Oberflächengruppen auf der
Elektrode, welche die Reaktion der Vanadium-Ionen beschleunigen. Die Bildung solcher Gruppen kann z.B. durch
thermische oder saure Behandlung und durch Metallabscheidung erreicht werden.
2.3. Membran
Die Hauptfunktion einer Membran ist der Ladungsausgleich. Sie soll ionenleitend für beispielsweise. H+-Ionen sein,
aber gleichzeitig das Vermischen der unterschiedlichen Vanadium-Ionen verhindern. [9] Ansonsten würde es zu einem
Kapazitätsverlust kommen, da mehr Ladung aufgewendet
werden muss, um die Vanadium-Ionen wieder in die korrekte
Oxidationsstufe umzuwandeln. Außerdem ist es wichtig, dass
die Membran chemisch stabil ist, einen geringen Widerstand
hat und kostengünstig ist. Entsprechende Membranen werden von verschiedenen Firmen angeboten, z.B. DuPont oder
Fumatech. Meist handelt es sich um Polymermembranen, die
entweder Anionen (AAM)- oder Kationenaustauschermembranen (KAM) sein können. Wie der jeweilige Name schon
sagt, lässt eine AAM nur Anionen, eine KAM nur Kationen
durch. Vor dem Einsetzen in die Batterie werden die Membranen mit unterschiedlichen Tests (z.B. Permeationstests)
charakterisiert, um eine optimale Performance zu erhalten.
2.4. Elektrolyt
Nicht nur die Elektroden und die Membran können verbessert werden, auch der Elektrolyt lässt sich durch Zusätze
oder durch den Wechsel vom wässrigen in ein organisches
System verbessern. Zunächst sind die Fällungsinhibitoren zu
nennen [10]: Sie verbessern die Löslichkeit der Vanadiumsalze über einen größeren Temperaturbereich. Des Weiteren gibt
es Metallionen [11] oder auch organische Zusätze [12], welche
die Übergangszustände der Vanadiumkomplexe stabilisieren
und somit einen besseren Ladungsaustausch ermöglichen.
Weiterhin kann man statt Schwefelsäure auch Salzsäure [13]
zum Lösen der Salze nehmen, was zu einer erhöhten Kapazität führt. Schließlich besteht die Möglichkeit, in ein organisches System zu wechseln, damit die Wasserelektrolyse, also
die elektrochemische Spaltung von Wasser, entfällt. [14]
2.5. Alternative Redox-Flow-Batteriesysteme
Neben der VRFB sind eine Vielzahl anderer Redox-FlowBatterien möglich, die unterschiedliche Redoxpaare aufweisen. Abbildung 7 stellt einige Paare dar, deren Potentiale
gegen die Standard-Wasserstoffelektrode aufgetragen sind.
Aufgrund der Wasserstoff- und Sauerstoffbildung im wässrigen System sind diese jedoch begrenzt.
Zink-Brom-Flow-Batterie (ZBB)
Diese Batterie wird als »Hybrid«-Redox-Flow-Batterie
bezeichnet. Während des Ladevorganges wird Zink an der
Elektrode abgeschieden, d.h. das System folgt keinem Flussprinzip.
Kathode:
Br2 (aq) + 2 e- C
M 2 Br
2+
Anode:
Zn C
M Zn + 2 e
2+
Zellreaktion: 2 Zn + Br2 (aq) C
M Zn + 2 Br
Die wässrige Lösung des Zinkbromids zirkuliert durch die
Zelle in zwei separaten Tanks. Die hohe Konzentration an
Bromid-Ionen und Brom steigert sowohl die Kinetik als auch
die Energiedichte. Diese müssen jedoch als Komplexe gelagert werden. Das Bromid und das wässrige Zinkbromid
müssen getrennt voneinander zirkulieren, um einer Selbstentladung, die durch die Kombination Zink und Bromid zustande
kommt, entgegen zu wirken (s. Abb. 8). Einige MWh-ZBBs
wurden gebaut und getestet. [20 – 22]
Abb. 7 a: Standardpotentiale der Redoxpaare gegen die Standard-Wasserstoffelektrode. [1]
Polysulfid-Brom-Flow-Batterie (PSB)
Die PSB, patentiert 1984 von Remick [18], basiert auf elektrochemischen Reaktionen zwischen Natriumbromid (NaBr)
und Natriumpolysulfid (NaSx). Diese Chemikalien kommen
häufig vor und sind gut löslich in Wasser. Die Standardzellspannung von 1,36 V resultiert aus folgenden Reaktionen.
Abb. 8: Schema der Zink-Brom-Flow-Batterie.
Vanadium-Luft-Batterie (VOFC, vanadium oxygen fuel cell)
Einen weiteren vielversprechenden Ansatz stellt die Vanadium-Luft Batterie dar, eine Metall-Luft-Batterie, die eine
höhere Energiedichte aufweist als die herkömmliche VRFB.
Kathode:
Br3- + 2e- C
M 3 Br
22Anode:
2 S2 C
M S4 + 2 e
22Zellreaktion: 2 S2 + Br3 S4 + 3 Br-
Kathode:
4 H + + 4 e - + O2 C
M 2 H2O
3+
Anode:
4 V2+ C
M 4V + 4 e
2+
+
3+
Zellreaktion: O2 + 4 V + 4 H C
M 2 H2O + 4V
Die Elektrolyte sind durch eine Kationenaustauschermembran voneinander getrennt, die für Na+- Ionen durchlässig
ist. [1] Die technische Herausforderung besteht in der Vermeidung der Kreuz-Kontamination des Elektrolyten und
der Aufrechterhaltung des Elektrolyt-Gleichgewichtes. [19]
Innogy baute einen 100 kW Stack, dessen Nettoeffizienz bei
75 % liegt. Zwei weitere Speicherkraftwerke (12 und 15 MW)
wurden in England und Amerika geplant, deren Bau aber
aus Gründen technischer Schwierigkeiten und finanzieller
Probleme 2003 gestoppt werden musste. [4]
Die Zellspannung beträgt 1,49 V. Aufgrund des Austausches
der positiven Seite der RFB mit der Sauerstoffseite der Brennstoffzelle kann die Energiedichte des Systems verdoppelt werden, wodurch ein mobiler Einsatz immer realistischer wird.
Jedoch stellen das hohe Gewicht der Batterie und ihre geringe
Leistungsdichte bisher noch ein Hindernis hinsichtlich der
mobilen Anwendung dar. [19]
In Tabelle 1 sind die technischen Daten der hier besprochenen
Systeme zusammengefasst.
Typ
Leerlaufspannung [V]
Energiedichte [Wh/L]
Zyklenlebensdauer
Betriebstemperatur [°C]
Energieeffizienz [%]
VRB [18]
1,4
16 – 33
> 12.000
30
78 –80
PSB [18]
1,5
20 – 30
> 2.000
35
60 –75
ZBB [23]
1,8
> 60
> 2.000
50
60 –75
VOFC [24]
1,49
41 [Wh/kg]
–
80
46
Tabelle 1: Vergleich technischer Daten verschiedener Redox-Flow-Batterien
Die Vanadium-Redox-Flow-Batterie zeigt bei der geringsten
Betriebstemperatur die höchste Energieeffizienz und längste
Zyklenlebensdauer.
2.6. Ausblick und Kosten
Die technische Umsetzung und der Demonstrationsbetrieb von Pilotanlagen zeigen, dass die Redox-Flow-Batterie
als stationärer Speicher einen Beitrag zur Stabilität und
Versorgungssicherheit des gesamten Stromsystems leisten
kann. Sie kann bspw. als Backup für Industrieanlagen, als
Insellösung für Regionen ohne Netzanbindung oder zur
Netzunterstützung dienen. Die Batterie zeichnet sich durch
einen geringen Wartungsaufwand sowie einen hohen Grad
an Eigensicherheit aus. Dennoch gibt es Optimierungsbedarf
wie z. B. die momentan noch hohen Kosten des Gesamtbatteriesystems. Die Aufgabe der Forschung ist es, das Kosten/
Nutzen-Verhältnis dieses Batteriesystems und seiner einzelnen Funktionskomponenten zu verbessern.
Physikalische Chemie
3. Zink-Luft-Batterie
Metall-Luft-Batterien haben durch ihre hohe Energiedichte im Vergleich zu anderen Batterien die Aufmerksamkeit
auf sich gezogen. Ein Merkmal der Metall-Luft-Batterien ist
ihre offene Zellstruktur, da diese Batterien Sauerstoff aus
der Umgebungsluft als Kathodenmaterial verwenden. Metall-Luft-Batterien können in zwei Typen aufgeteilt werden.
Ein Typ ist die nicht feuchtigkeitsempfindliche, bei der als
Elektrolyt ein wässriges System verwendet wird. Die andere
Variante ist das wasserempfindliche System mit aprotischen
Lösungsmitteln als Elektrolyt. [25, 26]
Die Art des Aufbaus einer Zink-Luft-Zelle liegt zwischen
der traditionellen Batterie und der Brennstoffzelle. Einerseits
ist die Anode, bestehend aus Zink-Metall, wie eine herkömmliche Batterie aufgebaut, andererseits besitzt die Kathode,
bei der Sauerstoffgas an einer katalytisch aktiven Schicht
umgesetzt wird, Ähnlichkeiten mit dem Aufbau einer Brennstoffzelle. Dazwischen befindet sich ein alkalischer Elektrolyt,
der mit Hilfe eines Separators in zwei Bereiche getrennt wird.
[27] Der Aufbau einer Zink-Luft-Batterie ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
7 8
3 9
Abb. 9: Aufbau einer Zink-Luft-Batterie.
An der Anode wird Zink oxidiert wobei Elektronen frei werden. Diese Elektronen werden über einen äußeren elektrischen Leiter an die Kathode geleitet, wo sie Sauerstoff aus
der Luft zu Hydroxidionen reduzieren. Durch den Separator,
der für die Zinkionen undurchlässig sein sollte, gelangen die
Hydroxidionen zu der Anodenseite, wo sie mit den Zinkionen
zu Hydroxo-Komplexen und Zinkoxid reagieren.
Die Vorgänge, die während der Entladung ablaufen, können
mit folgenden elektrochemischen Reaktionen beschrieben
werden.
Anode: Zink Oxidation
Zn p Zn2+ + 2eZn2+ + 4 OH- p Zn(OH)42-
E0= -1,25 V vs. NHE
Elektrolyt
Zn(OH)2-4 p ZnO + H2O + 2 OHKathode: ORR
O2 + 2 H2O + 4 e- p 4 OH-
E0= + 0,4 V vs. NHE
Gesamtreaktion:
2 Zn + O2 p 2 ZnO
E0= + 1,65 V
Beim Aufladevorgang verlaufen die angegebenen Reaktionen
in umgekehrter Richtung.
Auf der Kathodenseite wird eine Gasdiffusionselektrode
(GDE) zum Einsatz gebracht. Die Elektrode besteht aus einem leitenden porösen Trägermaterial wie Kohlenstoff, der
mit einem Katalysator beschichtet ist. Die Reduktion von
Sauerstoff findet an der Dreiphasengrenze statt: Katalysator
(fest), Elektrolyt (flüssig) und Sauerstoff (gasförmig). Durch
die poröse Struktur der Elektrode gelangt der Sauerstoff zum
Katalysator und wird dort zuerst dissoziiert. Anschließend
entstehen durch Reduktion O2 Ionen, die mit dem Wasser aus
dem Elektrolyten zu OH--Ionen reagieren. Die Rückreaktion, die Oxidation zu molekularem Sauerstoff, läuft ebenfalls
auf einem beschichteten Leiter (z.B. Nickel) ab, allerdings in
einem Zweiphasengebiet, da hierbei das Gas erst gebildet
wird. [28, 29]
Als Katalysatoren werden Manganoxid-Verbindungen für
die Sauerstoffreduktion und z. B. Iridiumoxid für die Oxidation eingesetzt. Teflon wird häufig als Separator zum Einsatz
gebracht. Als alkalischer Elektrolyt wird meistens 30%-ige
KOH-Lösung eingesetzt, da bei dieser Konzentration die ionische Leitfähigkeit maximal ist. [30] Für die Anodenseite
wird elementares Zink verwendet. Dabei kann das Zink auch
als Paste verarbeitet, bekannt als Zink-Slurry, z. B. für kleine
Hörgeräte eingesetzt werden. Zink-Slurry sind Zink-Partikel
die mit viskosem Elektrolyten vermischt werden. [31, 32]
Zink-Luft-Batterien sind als normale Einweg-Batterien
bereits kommerziell erhältlich, wiederaufladbare Systeme
wurden zwar bereits entwickelt, konnten sich bisher jedoch
noch nicht durchsetzen. Dabei weist die Zink-Luft-Batterie
gegenüber anderen Batteriesystemen einige Vorteile auf. Im
Vergleich mit z. B. Lithiumbasierten Batterien besticht sie
durch den hohen Sicherheitsaspekt: Während Lithium mit
Wasser unter starker Wärmeentwicklung reagiert, wodurch
man organische Elektrolyte verwenden muss, kann eine Zink-
Luft-Batterie ohne Probleme in einem wässrigen System vorliegen bzw. funktioniert dort sogar besser.
Da sich somit auch die Herstellung der Batterie einfacher gestaltet, erkennt man direkt den wichtigsten Vorteil von
Zink basierten Systemen: die geringen Kosten. Zink ist ein
billiger, sehr häufig vorkommender Rohstoff, der somit auch
in ausreichenden Mengen vorliegt, um eine flächendeckende
Versorgung zu gewährleisten. Während die weltweit mit Abstand größten Lithiumvorkommen nur in China und Chile zu
finden sind, liegt Zink relativ gleichmäßig über den Globus
verteilt vor. So verfügen neben China die USA, Kanada und
Australien über große Zinkvorkommen.
Des Weiteren haben die Verarbeitung und das Recycling
von Zink in Europa eine lange Tradition, wodurch man hier
auf bereits bestehendes Know-How zurückgreifen kann.
Dies ermöglicht viele verschiedene Batterie-Konzepte, z.B.
mit zwischengeschaltetem Recycling-Schritt für den ZinkSchlicker. [28]
Einen eher technischen Aspekt stellt die hohe Energiedichte (s. Abb. 10) dar, die mit Zink-Luft-Batterien erreicht
werden kann. Diese kommt zu Stande, da ein Teil der Batterie,
die Luft bzw. der Sauerstoff separat vor Ort zugeführt werden
kann und die Batterie an sich somit deutlich leichter wird.
[19] C. Ponce-de-Léon et al., J. Power Sources, 2006, 160, 716.
[20] http://www.zbbenergy.com, März 2014.
[21] http://www.premiumpower.com, März 2014.
[22] http://redflow.com, März 2014.
[23] P. Leung et al., RSC Adv., 2012, 2,10125.
[24] S. S. Hosseiny et al., Electrochem. Commun., 2011, 13, 751.
[25] M. Armand et al., Nature, 2008, 451, 652.
[26] P. Sapkota et al., J. Ind. Eng. Chem., 2009, 15, 445.
[27] W. H. Zhu et al., J. Appl. Electrochem., 2003, 33, 29.
[28] K. Harting et al., Z. Phys. Chem., 2012, 226, 151.
[29] S. Muller et al., Electrochim. Acta, 1994, 39, 1661.
[30] F. R. McLarnon et al., J. Electrochem. Soc., 1991, 138, 645.
[31] P. Sapkota et al., J. Ind. Eng. Chem., 2010, 16, 39.
[32] P. Arora et al., Chem. Rev., 2004, 104, 4419.
H
Abb. 10: Energiedichten verschiedener Batteriesysteme im Vergleich.
Literatur
[1] Z. Yang et al., Chem. Rev., 2011, 111, 3577.
[2] M. Skyllas-Kazacos et al., J. Electrochem. Soc., 2011, 13, 751.
[3] http://energiespeicher.blogspot.de/2013/01/fluktuierende-erneuerbare-energien.html,
März 2014.
[4] S. Saatmann et al., 13. Symposium Energieinnovation, 2014, Graz/Austria.
[5] http://energystoragetrends.blogspot.de/2010_11_01_archive.html, März 2014.
[6] www.redtenergy.com/technology/history, März 2014.
[7] P. Alotto et al., Renewable Sustainable Energy Rev., 2014, 29, 325.
[8] M. Skyllas-Kazacos et al., J. Electrochem. Soc., 2011, 158, R55.
[9] A. Parasuraman et al., Electrochim. Acta, 2013, 101, 27.
[10] M. Skyllas-Kazacos et al., Electrochem. Solid-State Lett., 1999, 2, 121.
[11] Z. He et al., Ionics, 2013, 19, 1915.
[12] X. Wu et al., Electrochim. Acta, 2012, 78, 475.
[13] M. Vijayakumar et al., J. Power Sources, 2013, 241, 173.
[14] Q. Liu et al., Electrochem. Commun., 2011, 11, 2312.
[15] W. Wang et al., Adv. Funct. Mater., 2013, 23, 970.
[16] T. Shigematsu, SEI TECHNICAL REVIEW, 2011, 73, 4.
[17] M. H. Charabarti et al., Arab. J Sci Eng, 2013, 38, 723.
[18] R. J. Remick, USA Patent 4485154, 1984.
Prof. Dr. Rolf
empelmann
Chemiestudium an der Universität Münster. Promotion
1980 in der dortigen Physikalischen Chemie (Magnetische
Eigenschaften von Metall/Wasserstoff-Systemen). Anschließend bis 1993 Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für
Festkörperforschung des Forschungszentrums Jülich (Neutronenstreuung und MyonenSpinRotation an Metall/Wasserstoff-Systemen); währenddessen: 1987 externe Habilitation
an der RWTH Aachen mit venia legendi für Physikalische
Chemie, 1987/88 Auslandsaufenthalt am Los Alamos National
Laboratory (USA).
Seit 1993 Lehrstuhl für Physikalische Chemie an der Universität des Saarlandes. 2008 Gründung des Transferzentrums
Nano-Elektrochemie, seitdem dessen Geschäftsführender
Leiter.
Auszeichnungen: 1987 Nernst-Preis der Deutschen Bunsen-Gesellschaft für Physikalische Chemie, verliehen für Neutronenstreuarbeiten an Metall/Wasserstoff-Systemen 2010.
Bundesverdienstkreuz am Bande, verliehen in Würdigung
der Aktivitäten für Schüler.
Publikationen: Mehr als 300 Publikationen in Wissenschaftlichen Zeitschriften mit peer-review, 2 Bücher, 10 Buchartikel, Miterfinder bei 26 Patentfamilien
B
Dipl.-Chem. Julia
aumgarten
arbeitet seit 2012 als wissenschaftliche Mitarbeiterin und
Doktorandin am Lehrstuhl für Physikalische Chemie im
Fachbereich Elektrochemie der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Universität des Saarlandes. Zuvor studierte sie Chemie mit Schwerpunkt Materialwissenschaften
und Technik an der Universität des Saarlandes. Zu ihren Forschungsthemen gehören die Optimierung des Elektrolyten in
einer Vanadium-Redox-Flow-Batterie und die Kopplung der
Batterie mit anderen elektrochemischen Systemen.
S
chley
Dipl.-Chem. Bernd
schloss sein Studium der Chemie mit Schwerpunkt Materialwissenschaften und Technik 2011 an der Universität des
Saarlandes ab. Seitdem erforscht er als wissenschaftlicher
Mitarbeiter und Doktorand am Lehrstuhl für Physikalische
Chemie im Fachbereich Elektrochemie Elektrokatalysatoren
für die Sauerstoffentwicklungsreaktion in wiederaufladbaren
Zink-Luft-Batterien.
B
Dipl.-Chem. Anette Beata
ritz
studierte Chemie mit dem Schwerpunkt Materialwissenschaften und Technik an der Universität des Saarlandes und
schloss ihr Studium mit dem Diplom ab. Seit 2011 arbeitet
sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin und Doktorandin am
Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät III der UdS. Im Rahmen ihrer Promotion untersucht sie Membranen für die Vanadium-RedoxFlow-Zelle und beschäftigt sich mit der Modifizierung des
Elektrodenmaterials.
V
Physikalische Chemie
ijayaratnam
Dipl.-Chem. Vinoba
absolvierte ihr Studium in Chemie mit den Schwerpunkten Materialwissenschaften und Technik an der Universität
des Saarlandes und schloss dieses mit dem Diplom ab. Anschließend ist sie dort seit 2012 als wissenschaftliche Mitarbeiterin und Doktorandin am Lehrstuhl der Physikalischen
Chemie im Bereich Elektrochemie angestellt. Im Rahmen
ihrer Doktorarbeit forscht sie an neuen Elektrokatalysatoren
mit dem Ziel, Zink-Luft-Batterien zu verbessern.
7 10
3 11
CapReal – Rekonstruktion realer Szenen
aus Kameraaufnahmen
Prof. Dr. Christian Theobalt
Informatik
Menschen können ihre Umgebung im Bruchteil einer
Sekunde erfassen, Bewegungen blitzschnell erkennen
und deuten. Damit Computer dies auch schaffen, müssen
Grundsätze der Bilderkennung und Computergrafik
völlig überarbeitet, neue Rechenverfahren entworfen
werden. Der Saarbrücker Informatik-Professor Christian
Theobalt hat sich dieser Herausforderung gestellt.
In den letzten Jahren ist das wissenschaftliche Interesse an
kognitiven Trainingsinterventionen kontinuierlich gestiegen.
Der Gesichtssinn gehört zu den wichtigsten Wahrnehmungskanälen, mit denen der Mensch Informationen über seine
Umgebung aufnimmt. Durch die Interpretation visueller
Information erfasst er den Großteil räumlicher Zusammenhänge, geometrischer Formen und Oberflächeneigenschaften
sowie von Bewegungen in seiner unmittelbaren Umgebung.
In vielen Bereichen der Informatik ist es von immer größerer
Bedeutung, auch Computersysteme in die Lage zu versetzen,
aus Kameraaufnahmen detaillierte Modelle der Geometrie
und Bewegung sowie der Oberflächeneigenschaften und
Beleuchtung einer Szene zu schätzen. Das Schätzen solcher
Modelle aus Kameraaufnahmen – die dynamische Szenenrekonstruktion oder 4D-Rekonstruktion (3D + Zeit) – ist eine
der großen mathematischen und algorithmischen Herausforderungen heutiger Computerwissenschaft. Die algorithmischen Herausforderungen liegen hierbei im Grenzgebiet
der maschinellen Bilderkennung (Computer Vision) und der
Computergrafik.
Aus algorithmischer Sicht erfordert die 4D-Rekonstruktion die Umkehrung des Bildgebungsprozesses. Vereinfacht
dargestellt durchläuft Licht aus der Umgebung einer Szene
eine komplexe Interaktion mit Elementen der Szene, zum
Beispiel den Oberflächen oder anderen atmosphärischen
Elementen (Reflexion, Brechung etc.) und wird letztlich
vom Bildsensor einer Kamera erfasst. Man erhält durch die
Kamera also eine Projektion der Szene in Form eines Bildes.
In vielen Fällen ist das Bild der Kamera von künstlerischem
Wert, aber aus Sicht der Informatik liefert die Kamera mehr
als ästhetisch wertvolle Information: Die Kamera ist ein Sensor, mit dem man eine Szene vermessen kann. Diese Vermessung ist möglich, weil in der Physik, der Bilderkennung und
der Computergrafik mathematische Modelle entwickelt wurden, mit deren Hilfe der Bildgebungsprozess in einer Kamera
beschrieben und berechnet werden kann. Grob gesagt kann
man mit Hilfe dieser Modelle errechnen, welches Bild eine
bestimmte Kamera aus einer Szene produziert, wenn man
eine Beschreibung der Geometrie der Szene, der Materialeigenschaften (zum Beispiel Reflexionseigenschaften), und der
einfallenden Beleuchtung in der Szene hat. Der Lichttransport in realen Szenen ist oft hoch komplex. Normalerweise
interagiert Licht mehrfach mit den Elementen der Szene
(z. B. mit den Oberflächen), bevor es in die Kamera gelangt
und wird nicht nur reflektiert, sondern verläuft entlang kom-
plexer Reflexions- und Brechungspfade an und in Elementen der Szene. In der Computergrafik wurden sogenannte
Rendering-Verfahren entwickelt, um diesen komplexen
Lichttransport zu simulieren und ein fotorealistisches Bild
einer simulierten Szene zu errechnen. Die Ergebnisse hiervon
sieht man zum Beispiel in aktuellen Kinofilmen, in denen
fotorealistische Darstellungen ganzer Umgebungen virtuell
errechnet werden. Aufgrund der Komplexität der Lichtsimulation kann die Berechnung auch nur eines einzigen Bildes
oft mehrere Stunden dauern.
Die Rekonstruktion einer Szene erfordert das Umkehren
dieses Prozesses. Die Aufgabe ist es daher, aus aufgenommenen Bildern einer Szene detaillierte Modelle der Geometrie
und ggf. ihrer Veränderung über die Zeit und möglicherweise
auch der Reflektanzeigenschaften von beteiligten Oberflächen und der einfallenden Beleuchtung zu errechnen. Dieses
Problem ist auch deshalb so extrem komplex, da die zugrundeliegende Berechnung hochgradig unterbestimmt ist. Zum
einen ist der Raum der unbekannten Variablen, die notwendig
sind um alle Szenenelemente zu beschreiben, immens groß.
Weiterhin ist sogar im Falle einer sehr einfachen Szene die
Projektion in die Kamera mehrdeutig. Das heißt, es gibt im
Prinzip mehrere Konfigurationen einer Szene (im Sinne von
Anordnung der Geometrie etc.), die zum gleichen Bild führen.
Aufgrund dieser inhärenten Schwierigkeit ist es im Allgemeinen nicht möglich, hoch detaillierte Szenenmodelle aus einem
einzigen Kamerabild zu rekonstruieren.
Dennoch gibt es bereits Verfahren, die unter gewissen Bedingungen vereinfachte Modelle von statischen oder bewegten Szenen rekonstruieren können. Allen diesen Verfahren
ist gemein, dass sie entweder vereinfachte Annahmen über
den Bildgebungsprozess machen, um dadurch den Raum der
Unbekannten und die Mehrdeutigkeiten zu reduzieren, oder
dass sie höhere Anforderungen an die verwendete Sensorik
haben. So geht man bei manchen Verfahren davon aus, dass
sich in der Szene ein Objekt bewegt, dessen grobes 3D-Modell
bekannt ist. Ein Beispiel sind Motion Capture Verfahren (siehe Abbildung 1), die die Bewegung eines Menschen aus Bildern vermessen. Hierbei wird im Allgemeinen angenommen,
dass ein vereinfachtes Skelettmodell einer Person gegeben
ist. Zudem greift man bei vielen dieser Verfahren aktiv in
die Szene ein und versieht die zu vermessende Person mit
optischen Markierungen (sog. Marker), deren Positionen in
Bildern leicht gefunden werden können
Abb. 1: Marker-basiertes Motion Capture: Die aufgezeichnete Person (links) trägt einen Anzug mit speziellen Markierungen. Diese Markierungen
werden von mehreren Kameras aufgezeichnet, und aus den Bewegungen der Marker wird die Bewegung eines virtuellen Skelettes (rechts)
berechnet. Diese Art von Motion Capture-Verfahren funktioniert nur in kontrollierten Studioumgebungen.
Weiterhin erfordern die meisten Verfahren zur Rekonstruktion statischer und dynamischer Szenen, zum Beispiel sogenannte Stereoverfahren, Bilder aus weit mehr als einer Kameraperspektive, im Falle bewegter Szenen nicht selten mehr
als zehn Kameras. Dadurch wird das Rekonstruktionsproblem
vereinfacht, die praktische Anwendbarkeit aber stark eingeschränkt. Weiterhin treffen viele Algorithmen stark vereinfachende Annahmen über die Beschaffenheit einer Szene,
insbesondere die Materialeigenschaften (zum Beispiel gleiche
Farbe aus allen Blickwinkeln), die Beleuchtung oder den Hintergrund, der oft als statisch und uniform angenommen wird.
Die am weitesten fortgeschrittenen Verfahren zur Rekonstruktion bewegter Szenen sind sogenannte Performance
Capture Verfahren. Im Vergleich zu früheren Ansätzen zur
dynamischen Szenenrekonstruktion erlauben sie es zum
Beispiel, die zeitveränderliche Geometrie einer Person aus
Multi-Video-Aufnahmen zu schätzen [1]. Diese Verfahren
erfordern keine aktiv angebrachten Marker in der Szene,
und ermöglichen auch die Rekonstruktion der Geometrie
von einer Person in genereller Kleidung wie zum Beispiel
einem Rock oder einem weiten Kleid (vgl. Abbildung 2). Performance Capture Verfahren liefern weitaus detailliertere
Modelle als sie zum Beispiel mit Motion Capture Verfahren
erfasst werden können, die nur die Bewegung des Skelettes,
aber nicht die Bewegung der Körperoberfläche erfassen. Dennoch unterliegen selbst neueste Performance Capture Methoden starken Einschränkungen. Die meisten Algorithmen
können nur in streng kontrollierten Studioumgebungen mit
kontrollierter Beleuchtung und kontrolliertem Hintergrund
(z. B. grünen Vorhängen = Green Screen) eingesetzt werden.
Weiterhin erfordern sie eine Vielzahl statischer Kameras mit
hoher Auflösung und Qualität. Selbst neueste Verfahren erfassen bestenfalls Modelle mittlerer Qualität nur eines Objektes.
Oberdrein kommen sie sehr schnell an ihre Grenzen, wenn
sich mehrere Objekte in einer Szene bewegen, die Bewegungen in einer Szene sehr schnell sind oder wenn Objekte
komplexere Deformationen zeigen.
Abb 2: Markerloses Performance Capture: Die Bewegung und Geometrie einer Person in normaler Kleidung (links) wird aus mehreren
Videokameraaufnahmen rekonstruiert und daraus ein virtuelles 3D-Model errechnet (rechts) [1]. Performance Capture-Verfahren liefern weitaus
Informatik
detailliertere Modelle dynamischer Szenen als Motion Capture-Verfahren, sind aber nur unter sehr begrenzten Studiobedingungen und für einen
7 12
3 13
begrenzten Typ an Szenen einsetzbar.
Performance Capture-Verfahren sind von immensem Interesse für die Produktion von Spezialeffekten in der Filmindustrie, zum Beispiel zum Erfassen virtueller Modelle von
Schauspielern. Angesichts der visuellen Qualität virtueller
Schauspieler in aktuellen Kinoproduktionen entsteht oft
der falsche Eindruck, dass das Rekonstruieren von echten
Schauspielern und ihrer Bewegungen bereits jetzt sehr einfach möglich ist. In Wirklichkeit ist es aber so, dass solche
virtuellen Modelle fast gänzlich in kostspieliger und monatelanger Handarbeit von mehreren Animationsspezialisten erstellt werden und keinesfalls einfach rekonstruiert
werden können.
Zusammenfassend kann man sagen, dass selbst die am
weitesten fortgeschrittenen Verfahren zur Rekonstruktion
statischer und dynamische Szenen aus Kameraaufnahmen
aufgrund fundamental einschränkender algorithmischer
Annahmen nur in sehr eingeschränkten Situationen anwendbar sind.
In meiner Forschungsgruppe Graphics, Vision and Video
am Max-Planck-Institut für Informatik haben wir ein neues
Forschungsprojekt mit dem Titel CapReal – Performance
Capture of the Real World in Motion gestartet. Das Projekt
wird vom Europäischen Forschungsrat (ERC) im Rahmen eines ERC Starting Grants mit 1,5 Millionen Euro über 5 Jahre
finanziert. Der ERC Starting Grant ist einer der angesehensten
und begehrtesten Forschungspreise der Europäischen Union.
Der Preis finanziert Grundlagenforschung, die in Grenzgebiete vorstößt und den bestehenden Wissenshorizont grundlegend erweitern soll (sog. Frontier Research).
Im Rahmen des Projektes CapReal entwickeln wir viele
der grundlegenden algorithmischen Prinzipien der Szenenrekonstruktion aus Kameras vollkommen neu. Unser langfristiges Ziel ist es, fundamental neue Methoden zu entwickeln,
die es uns erlauben, hoch detaillierte Geometrie-, Materialund Bewegungsmodelle realer Szenen in beliebiger Umgebung aus nur sehr wenigen Videoaufnahmen zu rekonstruieren, wie zum Beispiel aus Videos, die mit einigen wenigen
Mobiltelefonen aufgenommen wurden. Zur Erläuterung: Reale Szenen sind von grundlegend höherer Komplexität als
die einfachen Studioszenen, die bisher rekonstruiert werden
können. In ihnen bewegen sich eine Vielzahl von Personen
und Objekten in beliebiger Art und Weise, die Beleuchtung
ist vollständig unkontrolliert, und Szenenelemente können
beliebig komplexe Reflektanz- und Materialeigenschaften
aufweisen. Weiterhin ist es in solchen Szenen oftmals nicht
möglich, mehr als nur eine Handvoll Kameras zu platzieren,
und die Kameras selbst müssen oft bewegt werden, um das
Geschehen in der Szene zu erfassen.
Um unter diesen grundlegend schwierigeren Rahmenbedingungen erfolgreich zu sein, ist es nötig, elementare
algorithmische Prinzipien neu zu durchdenken. Das oben
beschriebene langfristige Ziel ist innerhalb der fünf Jahre
wahrscheinlich nicht vollständig erreichbar. In CapReal gehen wir allerdings erste wichtige Schritte auf diesem Weg. Ein
zentrales Forschungsziel ist es, von den stark vereinfachten
Annahmen bezüglich Lichttransport und Oberflächenreflektanz Abstand zu nehmen, auf denen viele aktuelle Rekonstruktionsverfahren basieren. Wir werden mit die ersten
Verfahren entwickeln, um weitaus komplexere Modelle der
einfallenden Beleuchtung, der Oberflächeneigenschaften, und
des Lichttransports zwischen Szenenelementen direkt aus
Videos zu schätzen. Die grundlegend neue Modellierung des
Lichttransports wird es uns ermöglichen, einen weitaus größeren Teil des Bildsignals als wertvolle Information statt, wie
bisher, als Fehler des Modells zu interpretieren. In der Konsequenz können beispielsweise elementare mathematische
Ansätze zur Korrespondenzfindung zwischen Bildern, auf
denen die Geometrie- und Bewegungsrekonstruktion fußt,
robuster gestaltet werden, so dass sie auch unter generelleren Szenenbedingungen und mit nur wenigen Kameras stabil
arbeiten. Weiterhin ermöglicht die detaillierte Modellierung
von Beleuchtung und Reflektanz die Rekonstruktion von
geometrischen Details in bisher ungesehener Genauigkeit,
und zwar auch in realen Umgebungen außerhalb eines Studios. Ein erstes Ergebnis, das den Wert dieses erweiterten
Modellierungsansatzes zeigt, demonstriert Abbildung 3. Wir
haben eines der ersten Verfahren entwickelt, um hoch detaillierte bewegte Geometrie des menschlichen Gesichts aus den
Bilddaten einer einzelnen Videokamera zu rekonstruieren
[2]. Der Algorithmus beruht ganz wesentlich auf einer ersten
Methode zum erweiterten Schätzen der Beleuchtung und der
Oberflächeneigenschaften in der Szene.
Eine weitere algorithmische Frage, mit der sich CapReal
auseinandersetzt, ist die Entwicklung grundlegend neuer Parametrisierungen für Geometrie und Bewegung dynamischer
Szenen, mit denen auch generelle und komplexe Szenen modelliert werden können. Die Rekonstruktion detaillierterer
Modelle von Geometrie und Bewegung, aber auch des Lichttransports in der Szene, führt dabei zu weitaus komplexeren
inversen mathematischen Problemen.
Abb 3: Berechnung der bewegten Geometrie des Gesichtes aus nur einer Videokamera [2]: das linke und rechte Bildpaar zeigen jeweils ein
Eingabebild aus einem Video, das mit einer einzigen Kamera aufgenommen wurde (jeweils links), und das daraus errechnete hoch detaillierte
3D-Modell des Gesichtes (jeweils rechts).
Für diese Probleme müssen in CapReal neue Lösungsansätze entwickelt werden, die es ermöglichen sollen, die weitaus
größere Anzahl an Unbekannten in unseren erweiterten Modellbeschreibungen rein aus Videodaten zu schätzen.
CapReal ist ein Grundlagenforschungsprojekt, aber die
erhofften Ergebnisse werden sowohl Einfluss in vielen Bereichen der Informatik als auch in angrenzenden Gebieten
haben. Über die erhofften neuen Erkenntnisse im Bereich
4D-Rekonstruktion hinaus erwarten wir wertvolle Einsichten
zu grundlegenden Fragen der Computergrafik und Bilderkennung wie zum Beispiel im Bereich Korrespondenz- und
Bewegungsschätzung, bei der Verfolgung von Merkmalspunkten in Bildern (Feature Tracking), aber auch im Bereich Objekterkennung. In der Computergrafik ergeben sich
völlig neue Möglichkeiten, um Modelle bewegter Szenen zu
rekonstruieren. Diese neuen Erkenntnisse bereiten auch den
Weg für völlig neue praktische Anwendungen, von denen im
Folgenden einige erwähnt werden.
In der Computeranimation und bei der Produktion von
Spezialeffekten für Filme können nun Modelle von Szenen
und Schauspielern von bisher ungesehener Qualität in genereller Umgebung, also auch »on Set«, aus nur wenigen Kameraaufnahmen rekonstruiert werden. Bei der Produktion von
Beiträgen für das 3D-Fernsehen und das 3D-Kino werden sich
neue Möglichkeiten ergeben, da verbesserte Szenenmodelle
berechnet werden können, zum Beispiel um vollautomatisch
ein Virtuelles Replay zu erzeugen, bei dem Sportereignisse
nachträglich aus beliebigen neuen Blickwinkeln angeschaut
werden können.
Auch in anderen Bereichen ergibt sich eine Vielzahl neuer Anwendungen. Die genauere Bewegungs- und Geometrieschätzung in genereller Umgebung eröffnet neue Möglichkeiten in der medizinischen Diagnostik, zum Beispiel um
den Heilungserfolg durch detaillierte optische Analyse der
Körperbewegung und Muskeldeformation einzuschätzen und
zu dokumentieren. Auch im Bereich der Mensch-Maschine
Interaktion ergeben sich neue Möglichkeiten, um Computer
über Bewegung und Mimik zu steuern.
Ingenieure in der Materialprüfung werden von besseren
Verfahren profitieren, mit denen die Deformation von Objekten in hohem Detail rein aus Kameraaufnahmen gemessen werden kann. Und die Robotik kann ebenfalls aus den
neuen Erkenntnissen Nutzen ziehen, da sie es autonomen
Robotersystemen ermöglichen werden, mit nur wenigen Kamerasensoren sehr detaillierte Modelle ihrer Umgebung zu
erfassen. Hierdurch können diese ihre Bewegungen besser
planen, wie zum Beispiel im Falle autonomer Autos, oder sie
können besser mit Menschen in ihrer Umgebung interagieren.
Referenzen:
–
[1] C. Stoll, J. Gall, E. de Aguiar, S. Thrun, C. Theobalt, Video-based Reconstruction of
Animatable Human Characters, in ACM Transactions on Graphics (Proc. SIGGRAPH ASIA 2010),
29(6), p. 139 –149, 2010, Seoul, Korea.
–
[2] P. Garrido, L. Valgaerts, C. Wu, C. Theobalt, Reconstructing Detailed Dynamic Face
Geometry from Monocular Video, In ACM Transactions on Graphics (Proc. of SIGGRAPH ASIA) 32,
158:1–158:10 (2013).
Weitere Informationen: http://gvv.mpi-inf.mpg.de
T
Prof. Dr. Christian
heobalt ist Professor für Informatik
und Leiter der Forschungsgruppe »Graphics, Vision, & Video« am Max-Planck-Institut für Informatik. Von 2007 bis
2009 war er Visiting Assistant Professor im Department of
Computer Science der Stanford University. Während seiner
akademischen Ausbildung erwarb er einen Master (MSc) in
Künstlicher Intelligenz an der University of Edinburgh in
Schottland (2000), ein Diplom in Informatik an der Universität des Saarlandes (2001), und den Dr.-Ing. in Informatik am
Max-Planck-Institut für Informatik und der Universität des
Saarlandes (2005). Für seine Arbeiten erhielt er mehrere Preise, unter anderem die Otto Hahn Medaille der Max-PlanckGesellschaft (2007), den EUROGRAPHICS Young Researcher
Award (2009), und den Deutschen Mustererkennungspreis
(2012). Im Jahr 2013 erhielt er einen ERC Starting Grant der
Europäischen Union. Er ist auch einer der Gründer der Spinoff Firma the Captury (www.thecaptury.com), die eine neue
Technik zum markerlosen Motion Capture kommerzialisiert.
Der ERC Starting Grant (http://erc.europa.eu/startinggrants) wird seit 2007 an international herausragende Nachwuchswissenschaftler vergeben, um ihnen exzellente Forschungsbedingungen zu ermöglichen. Die Forscher müssen
auf ihrem Gebiet schon frühzeitig außergewöhnliche Leistungen gezeigt haben. Für 2 – 7 Jahre läuft die Förderung bei
einem Einzelvolumen von maximal 1,5 Mio Euro.
Informatik
www.vensys.de
7 14
3 15
VENSYS Energy AG
Im Langental 6
66539 Neunkirchen
Fon: +49 6821 9517-0
Fax: +49 6821 9517-111
Ein altbekannter Wirkstoff als neue Hoffnung
für Tumorpatienten?
Dr. Markus Greiner
Dr. Maximilian Linxweiler
Stefan Schorr
Dr. Johannes Linxweiler
Prof. Dr. Adolfo Cavalié
Prof. Dr. Richard Zimmermann
Medizin
Ein vielversprechender neuer Ansatz in der Therapie
des Prostatakarzinoms greift in den Kalziumhaushalt
der Zellen ein, um die Krebszellen abzutöten. Jedoch
weisen etwa die Hälfte der Patienten eine erhöhte
Resistenz gegen diesen Wirkstoff auf und würden von
der neuen Therapie nicht profitieren. Unsere aktuellen
Ergebnisse zeigen nun in Zellkulturexperimenten
einen Weg, nicht nur diese Resistenz zu überwinden,
sondern möglicherweise auch die Bildung von
Metastasen zu unterdrücken. Dabei kommt ein Wirkstoff
zum Einsatz, der Bereits als Neuroleptikum zur
Behandlung psychischer Störungen angewandt wurde.
Personalisierte Tumortherapie als hoffnungsvoller Ansatz
Krebserkrankungen aufgrund molekularer Marker zu differenzieren und eine im Idealfall auf den jeweiligen Patienten
zugeschnittene und wirksame Therapie anzubieten ist das
Ziel der personalisierten Tumortherapie. Dahinter verbirgt
sich die Idee, dass auch vielversprechende neue therapeutische Ansätze oft nur bei einer bestimmten Gruppe von Patienten wirksam sind, die es mithilfe molekularbiologischer
Methoden möglichst genau zu bestimmen gilt. Für die übrigen Patienten bleibt die Hoffnung, dass die Aufklärung der
molekularen Mechanismen, die ihren Tumor gegen die Behandlung resistent machen, zur Entwicklung einer adjuvanten oder alternativen Therapieoption führt. Ausgehend vom
Prostatakarzinom, der häufigsten bösartigen Erkrankung des
Mannes, wurden in den USA von der Firma GenSpera (www.
genspera.com) in den letzten Jahren Thapsigargin-Analoga
entwickelt, die zu einer Entleerung intrazellulärer Calziumspeicher führen und dadurch die Zellen abtöten. Um diesen
Mechanismus spezifisch für Tumorzellen zu machen, wurde
an den Wirkstoff 12-ADT ein Peptid angehängt, das die Aufnahme in die Zelle verhindert, jedoch durch eine nur auf
der Oberfläche von Tumorzellen befindliche Protease, dem
»prostate specific membrane antigen« (PSMA) (G-202) bzw.
von der von Prostatazellen sezernierten Protease »prostate
specific antigen« (PSA) (G-115) entfernt wird (Denmeade
and Isaacs, 2005; Denmeade et al., 2012). Wird der Wirkstoff
in die Zelle aufgenommen, so inhibiert er irreversibel die
»sarco-endoplasmatic reticulum calcium ATPase« (SERCA)
und verhindert somit das Rückpumpen von Calcium aus dem
Zytosol in das endoplasmatische Retikulum (ER), wodurch
die Zelle den programmierten Zelltod aktiviert. Natürlich
ist ein solcher Mechanismus umso wirkungsvoller, je mehr
Calzium zunächst einmal aus dem ER austritt.
Sec62 verhindert passiven Calziumaustritt aus dem ER
Der Sec61-Komplex stellt in der ER-Membran den wichA)
B)
Abb. 1: In situ Struktur eines an den Sec61-Komplex gebundenen Ribosoms und
assoziierter Proteine nach Cryoelektronentomographie.
A) Seitenansicht mit der kleinen ribosomalen Untereinheit (40S, gelb), der
großen ribosomalen Untereinheit (60 S, blau), dem Sec61-Komplex (rot)
sowie einem Querschnitt durch die ER-Membran (weiß).
B) Blick von der ER-Membran auf das Ribosom mit Darstellung der
vermutlichen Positionen der an den Sec61-Komplex assoziierten Proteine,
gegenüber A) vergrößert. Die mit Fragezeichen versehenen Elektronen
dichten wurden auf der Basis von bekannten Interaktionsflächen zugeordnet.
Die Abbildung wurde von Stefan Pfeffer und Friedrich Förster vom MPI für
Biochemie in Martinsried zur Verfügung gestellt, (Pfeffer et al., 2014)).
tigsten Kanal für den Import von Proteinen in das ER bzw. Ribosomen und die Regulation der Translation hinzugewondie Integration von Proteinen in die Membran des ER dar nen hat (Muller et al., 2010). Unsere Arbeiten zeigen nun eine
(Andreas Wirth, 2003; Görlich et al., 1992; Lang et al., 2012; weitere wichtige Funktion von Sec62 der Säuger im ZusamSong et al., 2000). Zudem konnten Arbeiten unserer Arbeits- menhang mit der zellulären Calzium-Homöostase. Messung
gruppe zeigen, dass er auch einen wichtigen Anteil am pas- des zytosolischen Kalziumgehalts von HeLa-Zellen zeigen
siven Calziumaustritt aus dem ER hat (Erdmann et al., 2011; eine Erhöhung nach siRNA vermittelter Depletion von Sec62
Lang et al., 2011a). Calziumionen können z.B. während des sowie einen stärkeren Anstieg nach zusätzlicher ThapsigarProteintranslokationsprozesses aus dem ER, wo eine hohe gin induzierter Inhibition der SERCA (Greiner et al., 2011b).
Calziumkonzentration vorliegt, in das Zytosol diffundieren. Interessant wurde diese Beobachtung insbesondere deshalb,
Nach Abschluss einer Proteintranslokation ist es daher für weil sie in unmittelbarem Zusammenhang mit einer höhedie Zelle von entscheidender Bedeutung, dass der Kanal wie- ren Sensitivität der Sec62-Depletierten Zellen gegenüber der
der effizient verschlossen wird. Als entscheidende Faktoren Thapsigargin-Behandlung stand (Greiner et al., 2011b). In
konnten hierfür auf der ER-luminalen Seite das Protein BiP weiteren Experimenten, die wir mithilfe der sogenannten
(Grp78) und auf der zytososlischen Seite Calmodulin identifi- »surface plasmon resonance«-Spektroskopie (SPR) (Abbilziert werden (Harsman et al., 2011; Lang et al., 2011b), wobei dung 2A) durchgeführt haben, zeigt sich, dass die Interaktion
jedoch die Mechanismen, die jeweils zum Verschluss des Ka- von Sec62 mit Sec61 über die C-Terminale Region des Sec62
nals führen, noch nicht endgültig aufgeklärt sind. Das Protein und den N-Terminus des Proteins Sec61alpha erfolgt, zudem
Sec62 ist zwar nicht unmittelbar Teil des Sec61-Komplexes, war diese Bindung auch Calzium-sensitiv: Sec62 bindet nur in
jedoch ist es zusammen mit Sec63 unmittelbar mit dem Kanal Abwesenheit von Calzium an Sec61 (Abbildung 2B) (Linxassoziiert (Abbildung 1A und B) (Tyedmers et al., 2000). In weiler et al., 2013). Die interagierenden Regionen von Sec62
der Hefe, wo Sec62 ein essentielles Protein darstellt, wurde und Sec61alpha sind insofern interessant, als im C-Terminus
schon früh eine Beteiligung des Sec62/63-Subkomplexes am von Sec62 zwei potentielle EF-Hand-Motive, also Calzium
Proteintransport in das ER gezeigt (Deshaies and Schekman, Bindungsstellen, mittels bioinformatischer Methoden vorher1990) und in neuerer Zeit wurde dies auch im Säuger bestä- gesagt werden und im N-Terminus von Sec61alpha, überlaptigt (Lakkaraju et al., 2012; Lang et al., 2012; Reithinger et al., pend mit der von uns gefundenen Sec62-Interaktionsdomäne,
2013), wo das zum Hefe-Sec62 homologe Protein jedoch zu- ein IQ-Motiv liegt, das für die Sec61-Calmodulin-Interaktion
sätzliche Funktionen wie die Möglichkeit zur Interaktion mit wichtig ist (Harsman et al., 2011; Lang et al., 2011a). Das Einfügen einer Punktmutation in ein potentielles EF-Hand-Motiv
A)
von Sec62 führte dazu, dass sowohl auf molekularer Ebene
der erhöhte Calzium-Ausstrom aus dem ER, wie auch auf
zellulärer Ebene die erhöhte Thapsigargin-Sensitivität sowie die verminderte Migrationsfähigkeit entsprechend dem
Sec62-Depletionsphänotyp auftraten (Linxweiler et al., 2013).
Somit ist das Protein Sec62 ein wichtiger Regulator der ERCalzium-Homöostase. Nach unserem Arbeitsmodell fungiert
es auf der dem Zytosol zugewandten Seite des ER als Sensor
für durch den Sec61-Kanal ausströmendes Calzium, gibt in
Anwesenheit von Calzium das IQ-Motiv frei und induziert
eine Strukturänderung, wodurch die Calmodulin-Sec61alpha
Bindung erleichtert und somit der Verschluss des Kanals auf
B)
der cytosolischen Seite des ER ermöglicht wird.
Abb. 2: Sec62 interagiert in Calcium-sensitiver Weise mit Sec61alpha.
A) Schematische Darstellung des Messprinzips der Oberflächen-PlasmonResonanz-Spektroskopie (SPR).
Medizin
B) Sec62-Sec61alpha-Interaktion in Abwesenheit (violett) und in
Anwesenheit (grün) von Calcium, sowie Interaktion von Calcium mit
Sec61alpha (negative Kontrolle, blau). Zusätzlich dargestellt sind
Peptid-Spots aus Sec61alpha, die mit Sec62 inkubiert und mit einem für
7 16
3 17
Sec62 spezifischen Antikörper angefärbt wurden.
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Der Sec62-Gehalt ist in vielen Tumoren deutlich erhöht
Worin liegt nun die pathophysiologische Relevanz dieser
Beobachtungen? Unsere in Zusammenarbeit mit der Klinik
für Urologie und Kinderurologie am UKS durchgeführten
Untersuchungen an Tumormaterial von Prostatakarzinompatienten zeigten gemittelt über alle untersuchten Patienten einen signifikant erhöhten Sec62 Proteingehalt in den
Tumorzellen im Vergleich zum tumorfreien Normalgewebe
aus dem gleichen Patienten, obwohl nur etwa 50% aller Patienten einen erhöhten Sec62-Gehalt im Tumor aufwiesen.
Auch das Normalgewebe der Tumorpatienten zeigte im
Vergleich zu dem einer tumorfreien Kontrollgruppe einen
erhöhten Sec62-Gehalt und somit eine Prädisposition zum
Tumor (Abbildung 3A) (Greiner et al., 2011a). In immunhistochemischen Untersuchungen an Tumorschnitten, die in
A)
ten, speziell das Lungenkarzinom, nun in Zusammenarbeit
mit der Klinik für Thorax- und Herz-Gefäßchirurgie am UKS
Gegenstand weiterer Analysen wurden. Eine Untersuchung
des Tumormaterials von insgesamt 70 Patienten, davon je
35 mit einem Adeno- oder einem Paltenepithelkarzinom,
ergab insbesondere für das Platenepithelkazinom, etwas
weniger deutlich aber auch für das Adenokarzinom einen
stark erhöhten Sec62-Proteingehalt, der hier sowohl mit einer
erhöhten SEC62-Genexpression wie auch mit einer genomischen Amplifikation der chromosomalen Region 3q25-26, in
der das SEC62/TLOC1-Gen liegt, korrelierte (Abbildung 4A
und B) (Linxweiler et al., 2012). Da die 3q-Amplifikation
die am häufigsten beschriebene genomische Veränderung
im Lungenkarzinom ist (Dehan et al., 2007) und auch eher
für das Platenepithelkarzinom als für das Adenokarzinom
charakteristisch ist (Björkqvist et al., 1998; Chujo et al., 2002)
liegt die Vermutung nahe, dass Sec62 zumindest zusätzlich
zu den bisher aus dieser Region beschriebenen Genen wie
PIK3CA, SOX2, RAP2B, FXR1 und EVI1 (Comtesse et al., 2007;
Massion et al., 2002; McCaughan et al., 2010; Qian and Massion, 2008) eine entscheidende Rolle bei der Tumorentstehung
oder Progression spielt. Auch TLOC1/SEC62 selbst wurde in
der Literatur bereits als »cancer driver gene« beschrieben
A)
B)
B)
Abb 3: Sec62 Proteingehalt ist im Prostatatumorgewebe erhöht.
A) Vergleich des Sec62 Proteingehalts von Tumorarealen (tumor >90%)
und tumorfreien Arealen (normal tissue) von Tumorpatienten sowie
Prostatagewebe von nicht Tumorpatienten (control group).
B) Zunahme des Sec62-Proteingehaltes mit zunehmender
De-Differenzierung des Tumors (Gleason 2–5).
Abb. 4: Sec62 Proteingehalt ist stark erhöht im Lungenkarzinom
Zusammenarbeit mit dem Pathologischen Institut des UKS
durchgeführt wurden, zeigte sich eine deutliche Korrelation
des Sec62-Gehalts mit der Entdifferenzierung der Tumorzellen, hier an einer Erhöhung Gleason-Score festgemacht
(Abbildung 3B) (Greiner et al., 2011a). Um zu unterscheiden,
ob das beobachtete Phänomen spezifisch für das Prostatakarzinom war oder auch in anderen Tumorentitäten auftrat,
führten wir eine immunhistochemische Färbung von Sec62
auf einem »multitissue tumormicroarray« (TMA) durch, der
insgesamt 2.071 Proben aus 73 verschiedenen Geweben enthielt und der 1.939 primäre Tumoren von 55 verschiedenen
Tumortypen und Subtypen sowie 132 Proben der jeweils
korrespondierenden Normalgewebe enthielt. Hierbei waren insgesamt 1.491 Proben (72%) positiv, ein signifikanter
Unterschied zwischen Tumor- und Normalgewebe ergab
sich insbesondere für das Lungen- und das Schilddrüsenkarzinom (Greiner et al., 2011a), sodass diese Tumorentitä-
A) Sec62-Immunhistochemische Färbung und H&E-Färbung eines Platenepithelkarzinoms (SCC) sowie eines Adenokarzinoms (AC) der Lunge. Zur Kontrolle wurde
peripheres Lungengewebe und Bronchialepithel ebenfalls untersucht.
B) Immunfluoreszenz-Färbung von tumorfreiem Lungengewebe, Adenokarzinom
und Platenepithelkarzinom der Lunge mit anti-Sec62-Antikörpern (FITC, grün)
und anti-Sec61beta-Antikörpern (Cy3, rot). Die Zellkerne sind mit DAPI angefärbt
(blau).
(Hagerstrand et al., 2013). Zudem korreliert im Lungenkarzinom der erhöhte Sec62 Proteingehalt auch signifikant mit
der Metastasierung der Tumoren (N+ gegen N0), was sich
auch beim Prostatakarzinom schon angedeutet hatte und
erneut ergab sich eine Korrelation mit der Tumorprogression (G3 gegen G2) (Abbildung 5A und B) (Linxweiler et
al., 2012). Ein »follow-up« der hier untersuchten Patienten
ergab auch einen signifikanten Zusammenhang zwischen
dem erhöhten Sec62-Gehalt und einer schlechten Prognose
(Abbildung 5C) (Linxweiler et al., 2013), somit stellt Sec62
im Lungenkarzinom einen potentiellen diagnostischen und
prognostischen Marker dar, während es beim Prostatakarzinom als potentieller prognostischer Marker für aggressivere,
stärker metastasierende Tumoren dienen könnte.
A)
A)
B)
B)
B)
C)
C)
Abb 6: Migration von Tumorzellen ist abhängig vom Sec62-Proteingehalt.
A) Schematische Darstellung des verwendeten Migrationsassays.
B) Sec62 wurde aus Zellen verschiedener Tumorentitäten (BC01 und BHT101 Lunge,
ML1 Schilddrüse) mittels siRNAs depletiert was zu einem dramatischen Rückgang
der Migrationsfähigkeit führte.
Abb. 5: Sec62 Proteingehalt korreliert mit Metastasierung und De-Differenzierung
C) SEC62 wurde in zwei Klonen von HEK293-Zellen (D4 und G2) mit Hilfe eines
im Lungenkarzinom.
stabil transfizierten Plasmides überexprimiert, was hier zu einer Steigerung der
A) Proteingehalt in N+ und N0 Tumoren in Platenepithel- (SCC) und
Migrationsfähigkeit im Vergleich zu Zellen mit einem leeren Kontrollplasmid führte.
Adenokarzinomen (AC) der Lunge.
B) Proteingehalt in G2 und G3 Tumoren in Platenepithel- (SCC) und
Adenokarzinomen (AC) der Lunge.
C) Überleben der Patienten mit erhöhtem (blau) oder nicht erhöhtem
Sec62-Gehalt im Tumor bei allen untersuchten Patienten (all patients)
Medizin
und Platenepithelkarzinom-Patienten (SCC patients).
7 18
3 19
Sec62 ist essentiell für die Migration von Tumorzellen
Aufgrund der Beobachtung, dass der Sec62-Gehalt in
verschiedenen Tumorentitäten mit der Metastasierung korrelierte, untersuchten wir im Rahmen unserer translationalen
Forschungsarbeiten verschiedene Zelllinien auf ihre Invasions- und Migrationsfähigkeit in Abhängigkeit vom Sec62Gehalt. Hierzu wurde Sec62 mittels siRNA-Transfektion in
den Zellen depletiert und die Zellmigration anschließend in
einem Transwell-Migrationsassay (BD-Fluoroblock-System)
analysiert. Für alle untersuchten Zelllinien verschiedenster
Tumorentitäten ergab sich ein einheitliches Bild: Nach Sec62Depletion waren die Zellen nicht mehr oder nur noch in sehr
geringem Umfang in der Lage zu migrieren (Abbildung 6A
und B) (Greiner et al., 2011a; Linxweiler et al., 2012). Um zu
zeigen, dass dieser Effekt spezifisch auf das Protein Sec62
zurückzuführen ist, wurden im Folgenden HEK293-Zellen,
die in dem verwendeten Assay nur in sehr geringem Umfang
migrierten, mit einem pSEC62-IRES-GFP-Plasmid transfiziert,
sodass diese SEC62 überexprimierten, wodurch der Sec62
Proteingehalt um das 3,5-7-fache anstieg. Die Untersuchung
der Migration dieser stabil transfizierten Zelllinien ergab
eine von der Stärke der SEC62-Expression abhängige Steigerung der Zellmigration (Linxweiler et al., 2012) (Abbildung 6C). Diese Ergebnisse zeigen, dass Sec62 notwendig
ist für die Zellmigration und dass die Erhöhung des Sec62Proteingehaltes alleine schon ausreicht, um die Zellmigration in HEK293-Zellen signifikant zu steigern, was die zuvor
beschriebene pathophysiologische Rolle von Sec62 und die
Korrelation mit einer schlechteren Prognose unterstreicht.
B)
A)
C)
Abb. 7: Der Calciumausstrom aus dem ER wird durch Sec62-Depletion oder Behandlung mit Calmodulin-Antagonisten erhöht.
A) Schematische Darstellung der Calcium-Messung in den Zellen mit Hilfe des IMIC-Mikroskops.
B) Messung des cytosolischen Calciumgehaltes und
C) Messung des ER-lumenalen Calciumgehaltes.
Die molekularen und zellulären Phänotypen führen zu einer Thapsigargin-Behandlung (Linxweiler et al., 2013). Somit stellt die Behandlung der Tumorzellen mit Calmodulineiner neuen therapeutischen Option
Wie anfangs beschrieben zielt der therapeutische Ansatz Antagonisten eine Alternative Behandlungsoption zur Demit Thapsigargin-Analoga darauf ab, den Calziumhaushalt pletion von Sec62 im Tumor dar.
der Tumorzellen zu schädigen und diese so abzutöten. Da
unsere Arbeiten aber einen Resistenzmechanismus identifi- TFP, ein altbekannter Wirkstoff und neuer
zierten, der genau dieser Therapie entgegenstehen und somit Hoffnungsträger
bei einem erheblichen Patientenkollektiv zu einem geringeEiner der von uns untersuchten Calmodulin-Antagonisten,
ren oder keinem therapeutischen Nutzen führen sollte, ist es das Trifluoperazin, war bereits als Antipsychotikum zur Bewichtig, den prognostischen Nachteil des erhöhten Sec62- handlung von Schizophrenie-Patienten im klinischen Einsatz
Gehaltes therapeutisch zu berücksichtigen und auszuglei- (Carpenter and Davis, 2012; Shen, 1999). Arbeiten anderer
chen. Da es trotz intensiver Forschung der letzten Jahre noch Gruppen diskutieren ebenfalls einen positiven Effekt des
immer ein ungelöstes Problem ist, mittels therapeutischer Einsatzes von Calmodulin-Antagonisten in der TumortherasiRNAs ein Protein aus einem bestimmten Gewebe gezielt pie aus gänzlich anderen Ansätzen wie der Modulierung der
zu entfernen (Bonetta, 2009; Christie et al., 2009; Jackson Akt-Aktivität bei Brustkrebs (Coticchia et al., 2009), der Hemand Linsley, 2010; Koehn et al., 2010; Schmidt, 2011), kann mung der Angiogenese (Jung et al., 2010), zur Überwindung
Sec62 nicht direkt als therapeutisches Ziel verwendet werden. der Resistenz gegenüber FAS-Rezeptor vermittelter Apoptose
Das beschriebene Modell, indem Sec62 bei ausströmendem beim Pankreaskarzinom (Yuan et al., 2011) oder zur Hemmung
Calzium die Calmodulin-Bindung an Sec61alpha erleichtert von DNA-Reparatur Mechanismen bei einer Therapie mit dem
und somit zum Verschluß des Sec61-Kanals beiträgt, führte je- Zytostatikum Bleomycin (Polischouk et al., 2007). Unsere Ardoch zu der Idee, mit Hilfe von Calmodulin-Antagonisten den beiten zeigen nun, dass eine kombinierte Behandlung mit TFP
Phänotyp einer Sec62-Depletion nachzuahmen. Zunächst und Thapsigargin-Analoga, die wir vorschlagen und für die
ergaben Messungen des zytosolischen Calziumgehalts nach wir auch schon einen Patentschutz erwirkt haben, zu einem
Behandlung von HeLa-Zellen mit Trifluoperazin (TFP) oder hoffnungsvollen personalisierten Therapieansatz für Patienten
Ophiobolin A, zwei verschiedenen Calmodulin-Antagonisten, werden könnte, bei denen ein erhöhter Sec62-Gehalt im Tumor
einen initialen Anstieg vor sowie eine deutliche Steigerung festgestellt wird und die daher eine ungünstige Prognose und
des Gesamtausstroms nach zusätzlicher Thapsigargingabe einen Resistenzmechanismus gegenüber der alleinigen Thera(Abbildung 7B) (Linxweiler et al., 2013). Dieser Effekt be- pie mit Thapsigargin-Analoga erwarten lassen. Die Tatsache,
stätigte sich bei Messung des ER-luminalen Calziums und dass TFP alleine auch schon signifikant die Zellmigration, die
war somit eindeutig der Entleerung dieses Calziumspeichers eine wesentliche Voraussetzung für die Metastasierung von Tuzuzuordnen (Abbildung 7C) (Linxweiler et al., 2013). Expe- moren darstellt hemmt, macht diese Option natürlich noch inrimente, bei denen die Behandlung mit Calmodulin-Anago- teressanter. In aktuellen Studien untersuchen wir daher sowohl
nisten oder die Sec62-Depletion an Sec61alplha-depletierten die Wirksamkeit der von uns vorgeschlagenen KombinationsZellen durchgeführt wurden, ergaben einen signifikant gerin- therapie wie auch die Hemmung der Metastasierung durch TFP
geren Calziumasstrom, sodass dieser Ausstrom auch eindeutig in Tumormodellen in vivo. Die Frage, ob Sec62 neben den bisdem Sec61-Kanal zugeordnet werden konnte (Linxweiler et her untersuchten noch in weiteren Tumorentitäten eine diagnoal., 2013). Auf zellulärer Ebene führte die Behandlung von stische oder prognostische Bedeutung hat, ist Gegenstand einer
HeLa- oder PC3-Zellen mit den Calmodulin-Antagonisten aktuellen Zusammenarbeit mit der Klinik für Hals-, Nasen-,
konzentrationsabhängig zu einem Rückgang der Migrations- Ohrenkrankheiten im Bezug auf das Oropharynxkarzinom
fähigkeit sowie zu einer Steigerung der Sensitivität gegenüber und das Zervixkarzinom.
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Medizinische Biochemie und Molekularbiologie
AG Prof. Dr. Richard Zimmermann
Eukaryontische Zellen sind in viele Kompartimente unterteilt, die jeweils eine spezifische Ausstattung an Proteinen
haben und von mindestens einer Membran umgeben sind.
Daher ist der gerichtete Transport dieser Proteine an ihr
jeweiliges Ziel eine komplexe und hoch regulierte Aufgabe
für die Zelle. Fehler im intrazellulären Transport können
genauso wie fehlende oder falsch hergestellte Proteine zu
Krankheiten führen oder die Wirksamkeit von Therapien
beeinflussen. Unsere Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit
den Mechanismen des Transports von Proteinen in das Endoplasmatische Retikulum (ER), der sowohl für Proteine
wichtig ist, die dort selbst benötigt werden, wie auch den
Ausgangspunkt für die Sekretion von extrazellulären Proteinen, z.B. von Hormonen, darstellt. Da das ER auch eine
wichtige Rolle als Kalziumspeicher in der Zelle spielt, stellt
die Regulation der Verteilung dieses intrazellulären Signalmoleküls einen weiteren Forschungsschwerpunkt dar.
Forschungsschwerpunkte:
– Grundlagenforschung zum Mechanismus des Proteintransports in das ER
– Biochemische und Biophysikalische Charakterisierung
des ER-Translokationsapparates
– Untersuchungen zur Kalziumhomöostase der Zelle
– Strukturelle Untersuchung der ER-Tranlokase und
assoziierter Proteine mit Hilfe von bildgebenden
Verfahren
– Klinisch orientierte Grundlagenforschung zu
Transport- oder Tranlokase assoziierten Krankheiten
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Unkonventionelle Aktoren in der
Mechatronik – Elektroaktive Polymere
Prof. Dr. Stefan Seelecke
Mechatronik
Multifunktionale Werkstoffe, im deutschen Sprachgebrauch auch unter dem Namen »unkonventionelle Aktoren« bekannt, verzeichnen seitens der Industrie in den
letzten Jahren ein stark zunehmendes Interesse als Antriebe in mechatronischen Systemen. Das liegt zum einen
an ihren ungewöhnlichen Eigenschaften, zum anderen
an der Verknappung gewisser, typischerweise in der Antriebstechnik verwendeter Rohstoffe wie etwa Kupfer und
seltene Erden. Einen besonders interessanten Vertreter
der unkonventionellen Aktoren, die elektroaktiven Polymere, wollen wir in diesem Artikel näher beleuchten.
Als Mechatroniker interessiert man sich speziell für Systeme, die aus Aktoren bestehen, die zum Antrieb oder Stellen
verwendet werden sowie aus Sensorelementen, mit denen
man Informationen über den Zustand oder die Umgebung
eines mechatronischen Systems erhält. Diese Informationen
werden mit Hilfe von auf Mikroprozessoren implementierten Algorithmen dann intelligent zur Ansteuerung der Aktoren verwendet, so dass ein solches System selbstständig auf
Änderungen in seiner Umgebung reagieren kann. In einem
modernen Auto sind wir heute tausendfach von solchen Systemen umgeben, die etwa die Beschleunigung eines Fahrzeuges
messen und im Falle eines Unfalls einen Airbag auslösen,
Mangan-Gallium kombinieren sogar thermische und magnetische Eigenschaften.
Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten konventionellen Antrieben werden solche aktiven Materialien (englisch
»smart materials«) in der Mechatronik auch als »unkonventionelle Aktoren« bezeichnet. Oft stellen diese unkonventionellen Aktoren kostengünstige, leichte und energieeffiziente
Alternativen zum Aufbau mechatronischer Systeme dar.
Interessanterweise zeigen alle dieser Materialien auch
sensorische Eigenschaften. Kontrahiert beispielsweise ein
NiTi-Aktordraht durch die Joulesche Wärme eines durch
ihn fließenden elektrischen Stromes, so lässt sich durch Messen des elektrischen Widerstandes dabei
gleichzeitig auch seine Längenänderung
bestimmen. Da dieses ohne weitere externe Sensoren geschieht, spricht man
vom sogenannten »Self-Sensing-Effekt«
und bezeichnet diese Werkstoffe auch als
»multifunktionale Materialien«.
Ein spezieller Vertreter dieser multifunktionalen Werkstoffe sind die sogenannten elektroaktiven Polymere. Durch
Anlegen eines elektrischen Feldes lassen
sich dünne Polymerfolien dazu bringen,
ihre Fläche dramatisch zu vergrößern. Der »Weltrekord« steht
dabei momentan bei einer Flächenvergrößerung von 1692%
und wird von dem in Abbildung 1 dargestellten Ballonsystem
gehalten [1].
In diesem Artikel werden wir uns mit dem zu Grunde
liegenden Funktionsprinzip, der Herstellung von Aktor-/
Sensorsystemen aus elektroaktiven Polymeren – speziell dielektrischen Elastomeren – und einigen Ideen zu Ihrer Anwendung beschäftigen.
Um das Funktionsprinzip eines elektroaktiven Polymeraktors richtig zu verstehen ist es hilfreich, sich zunächst mit
dem Kondensatorprinzip zu beschäftigen. Dazu zunächst
ein kurzer geschichtlicher Rückblick: Die Verformung fester
Körper mit Hilfe elektrischer Felder hat ihren Ursprung in
der sogenannten Leidener Flasche, die 1746 u. a. vom holländischen Physiker Petrus van Musschenbroek (1692–1761)
entwickelt wurde (Abb. 2). Musschenbroek steckte einen
Nagel in eine mit Wasser gefüllte Flasche und brachte diesen mit einer Elektrisiermaschine in Verbindung. Nach
der Trennung von der Elektrisiermaschine erhielt er beim
Rausziehen des Nagels dann einen elektrischen Schlag.
Abb. 1: Durch Anlegen eines elektrischen Feldes lässt sich bei einem unter Druck
stehenden Ballon eine Flächenvergrößerung von 1692% erreichen.
die Scheibenwischer mit Hilfe eines Regensensors nur dann
betreiben, wenn sich eine entsprechende Wassermenge auf
der Windschutzscheibe gesammelt hat oder uns ins Auto hineinlassen, wenn der Bordcomputer drahtlos ein Signal des
Schlüssels empfangen hat und daraufhin die Tür entriegelt.
Die Antriebe in solchen Systemen bestehen üblicherweise aus Motoren, elektromagnetischen Stellern sowie
Hydraulik- oder Pneumatikzylindern. Alternativ dazu finden seit einiger Zeit zunehmend Materialien Verwendung,
deren Form sich gezielt verändern lässt. Dazu gehören etwa
Drähte aus sogenannten Formgedächtnislegierungen wie z.B.
Nickel-Titan, die bei Überschreiten einer materialtypischen
Temperatur kontrahieren und dabei wie metallene Muskeln
Arbeit verrichten können. Bekannt sind auch piezokeramische Werkstoffe, z.B. Bleizirkontitanat oder Bariumtitanat,
die durch ein elektrisches Feld ihre Form ändern und etwa
zum nanometergenauen Einstellen von Mikroskopen oder
zur Kompensation unerwünschter Schwingungen dienen.
Magnetostriktive Werkstoffe wie Galfenol oder Terfenol tun
Ähnliches unter Einwirkung eines magnetischen Feldes, und
magnetische Formgedächtnislegierungen wie etwa Nickel-
Mechatronik
Es war der Vorläufer unseres heutigen Kondensators und das
erste Gerät zur Speicherung elektrischer Energie. Über die
Anwendung und Wirkung daraus resultierender elektrischer
Schläge und weiterer amüsanter Anekdötchen rund um diese
Flasche siehe [2].
Ihre endgültige Form erhielt die Leidener Flasche 1748
durch die beiden Londoner Ärzte William Watson und John
Bevis. Sie verzichteten auf die Flüssigkeit und verkleideten
die Flaschenwände innen und
außen mit Stanniol. Felice Fontana (1730 –1805), ein italienischer Physiker, bemerkte dann
eine Volumenänderung beim
elektrischen Aufladen einer solchen Leidener Flasche, welches
von Alessandro Volta (1745
–1827), Abb. 4, folgendermaßen
erklärt wurde:
»The glass is strongly comAbb. 2: Petrus van Musschenbroek
pressed … by the two armatures,
(1692–1761), Miterfinder der i. e. exterior metallic leaf, and interior water, … because they are
Leidener Flasche
oppositely electric.«
Danach dauerte es bis 1880, bis der mechanische Effekt
der von den elektrischen Ladungen herrührenden Coulombkräfte an einem Gummiband durch Conrad Röntgen, Abb. 5,
anschaulich demonstriert wurde.
7 24
3 25
Funktionsweise
Röntgens Versuch wurde von Keplinger et al. [3] mit
modernen Mitteln wiederholt und ist in Abbildung 6 dargestellt. Ein mit einem Gewicht belastetes Band aus Naturkautschuk
wird stufenweise mit elektrischen
Spannungen bis zu 25kV kontaktlos mit Nadelelektroden beaufschlagt und zeigt daraufhin eine
Längenänderung von bis zu 20%.
Betrachtet man die Größe der
benötigten elektrischen Spannungen, erscheint es plausibel, dass
Röntgen, der für seine Strahlenexperimente ja auch solch hohe
Spannungen benötigte, derjenige
war, der diese Entdeckung machte.
Im Jahre 1998 schließlich,
wieder ein Jahrhundert später,
erschien eine Arbeit von Pelrine
und Kornbluh [4], die gemeinhin
Abb. 3: Leidener Flasche, das erste
als die Initialzündung für die moGerät zur Speicherung
derne Nutzung des oben beschrieelektrischer Ladung (1746).
ben Effekts für die Aktorik angesehen wird. Hier und später in [5]
werden dielektrische elektroaktive Polymer (DEAP)-Aktoren beschrieben, die auf Basis dünner (~50µm) Polymerfolien
aus Acryl oder Silicon mit beidseitig aufgedruckten, dehnbaren Elektroden bei angelegten Spannungen von ~2,5 kV
Formänderungen von bis zu 200% zeigen, sich schnell schalten lassen und Energiedichten von etwa 0,1 J/g aufweisen.
Abb. 4: Alessandro Volta (1745–1827)
Abb. 5: Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923)
Abb. 6: 20% Längenänderung eines mit einem Gewicht belasteten Gummibandes unter
elektrischen Spannungen bis 25kV.
und kann die Feder zurückbewegen. Abbildung 10. zeigt die
dabei möglichen Hübe von etwa 7–8 mm zwischen 0 V und
2,5 kV angelegter elektrischer Spannung. Es können dabei je
nach Geometrie Kräfte in der Größenordnung von 1 Newton
erzeugt werden.
Abb. 7: Aktorprinzip eines dielektrischen Elastomers.
Das Aktorprinzip beruht dabei auf dem folgenden, in Abbildung 7 dargestellten Effekt.
Der Aufbau erinnert stark an einen Kondensator, und
elektrisch verhält sich ein solcher dielektrischer elektroaktiver Polymeraktor in erster Näherung auch so. Allerdings lässt
sich durch die Nachgiebigkeit von Dielektrikum und Elektroden hier auch eine Bewegung erzeugen und mechanische
Arbeit verrichten. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes entstehen zwischen den unterschiedlich geladenen Elektroden
sehr starke Coulomb’sche Anziehungskräfte, die das Polymer
in Dickenrichtung komprimieren und gleichzeitig transversal
ausdehnen bzw. zu einer Oberflächenvergrößerung führen.
Die mechanische Spannung, die dabei das Material komprimiert, nennt man Maxwellspannung, mm ; sie hängt neben
der Vakuumpermittivität ¡0 von der Dielektrizitätskonstante
¡r des Materials und vom elektrischen Feld E ab,
mm = ¡0 ¡rE .
2
Abb. 8: Verschiedene Bauformen.
Dieser Effekt lässt sich in der Aktorik auf vielfältige Art und
Weise ausnutzen. Sogenannte Stapelaktoren nutzen beispielsweise den Dickeneffekt aus, benötigen für einen Hub von ca.
1mm aber wegen der geringen Filmdicken gut 100 Schichten.
Diese stapelt man dazu übereinander und kontaktiert sie ähnlich wie bei Piezostapelaktoren zwischen den Schichten wechselseitig positiv und negativ. Eine elegantere Methode zur
Huberzeugung gelingt mit den in Abbildung 9 dargestellten
Membranaktoren, die den Transversaleffekt nutzen. Durch
unterschiedliche Innen- und Außendurchmesser lassen sich
hier Hub und resultierende Kraft gezielt einstellen.
Für eine Bewegung aus der Ebene heraus benötigen diese
Aktoren einen Mechanismus etwa in Form einer Feder, die
die EAP-Membran vorspannt (vgl. Abb. 9). Beim Anlegen
einer elektrischen Spannung erscheint das Polymermaterial durch die transversale Ausdehnung »weicher« und kann
von der Feder weiter gedehnt werden. Beim Abschalten der
Spannung gewinnt das Material nun wieder an Steifigkeit
Abb. 9: Aktorprinzip eines mit einer Feder vorgespannten Membranaktors.
Abb. 10: Hubbewegung eines EAP-Membranaktors, spannungslos (links) und unter
2,5kV (rechts),
Auf den ersten Blick mag man denken, dass mit solch hohen
Spannungen auch ein hoher Energieverbrauch einherginge.
Das Gegenteil ist jedoch der Fall, beim Anlegen der Spannung
fließen lediglich elektrische Ströme im Mikroamperebereich,
so dass elektrische Leistungen nur in der Größenordnung
von einigen Milliwatt benötigt werden. Zudem ist dies auch
nur für die eigentlichen Schaltvorgänge erforderlich; soll beispielsweise eine Position gehalten werden, so ist das stromlos
möglich.
Herstellung
Zur Herstellung solcher Systeme kommen vorzugsweise
Druckverfahren zum Einsatz. Auf kommerziell verfügbare
dünne Polymerfolien (z. B. Silicon) werden mit Hilfe von
sogenannten Siebdruckverfahren zunächst die Elektroden
aufgebracht. Dazu fertigt man geeignete Schablonen auf einer
durchlässigen Siebstruktur an und rakelt dann eine entsprechende »Elektrodentinte« in der gewünschten Geometrie
auf die Folien, siehe Abbildung 11 (links). Dies geschieht
am besten in einem Reinraum, da sonst die eventuell sich in
die Elektroden einlagernden Staubpartikel zu elektrischen
Feldspitzen führen und ein Versagen des Aktors zur Folge
haben können.
Abb. 11: Aktorprinzip eines mit einer Feder vorgespannten Membranaktors.
Das beste Elektrodenmaterial ist momentan noch
Gegenstand intensiver
Forschungsarbeiten. Es
ist für eine optimale Aktorperformance von ausgesprochener Wichtigkeit,
aber es muss sehr kontroverse Anforderungen erfüllen, da es auf der einen
Seite eine hohe elektrische
Leitfähigkeit aufweisen, Abb. 13: Kommerziell verfügbarer VivitouchTM DEAP-Aktor der Fa. Bayer Materials Science [6,7].
auf der anderen Seite dabei aber auch große elastische Verformungen aushalten
soll. Momentan werden entweder elektrisch leitende, rußhal- Anwendungsbeispiele
tige (carbon black) Tinten verwendet; man untersucht aber
Die Technologie ist noch sehr jung und erste kommerzielauch die Verwendung von Nanopartikeln wie etwa Carbon- le Produkte kommen gerade erst auf den Markt. Die Fa. Bayer
nanoröhrchen.
Materials Science hat beispielsweise kompakte Aktorsysteme
Die entsprechenden Rahmenstrukturen aus Abbildung 8 entwickelt, die in modernen Smartphones Vibrationen mit
lassen sich zur Herstellung von Forschungsprototypen geeig- einer extrem breitbandigen Dynamik erzeugen.
neterweise mit einem 3D-Drucker herstellen. Abbildung 11
Dies wird etwa für Spielanwendungen genutzt (Abb. 13,
zeigt den am Lehrstuhl für Unkonventionelle Aktorik ver- rechts) oder in High-End-Kopfhörern (Abb. 13, links), wo der
wendeten Drucker Objet Connex 500, mit dem sich präzise Bass zur Verbesserung des Hörerlebnisses mit Hilfe desselben
Strukturen mit 16µm-Schichtdicke herstellen lassen.
Aktors direkt auf die Schädelstruktur übertragen wird.
Die Firma Parker Hannifin steht kurz
vor der Markteinführung einer neuen Generation von Drucksensoren, die auf dem
oben beschriebenen Prinzip der Kapazitätsänderung basieren. Dunn, York und
Seelecke beschreiben die Entwicklung
und Funktionsweise dieser Sensoren in [8].
Abb. 12: Sensoreffekt - DEAP-Folie reagiert auf Druckbelastung mit einer
Kapazitätsänderung.
Sensorik
Wie eingangs erwähnt liegt eine ausgesprochen attraktive
Eigenschaft der DEAP-Materialien darin, dass sie nicht nur
aktorische Fähigkeiten besitzen, sondern auch zur Sensorik
eingesetzt werden können.
So ändert sich bei mechanischer Belastung einer DEAPFolie sowohl Oberfläche A als auch Filmdicke d, was gemäß
der wohlbekannten Plattenkondensatorformel
Abb. 14: Kommerziell verfügbarer Drucksensor der Fa. Parker Hannifin [8].
Mechatronik
A
C = ¡r¡0 ––
d
7 26
3 27
zu einer Änderung der Kapazität C führt. Diese lässt sich
leicht elektrisch erfassen und kann direkt mit der Auslenkung eines Aktors korreliert werden, so dass man in diesem
Falle von einem »Self-Sensing«-Aktor spricht. Dies ist von
großem Interesse, weil zur Positionsbestimmung somit kein
weiterer externer Sensor erforderlich ist und sich kompakte
und kostengünstige mechatronische Systeme aufbauen lassen.
Insgesamt lässt sich festhalten, dass DEAP-Aktoren eine
Reihe interessanter Eigenschaften wie
– geringe Herstellungskosten,
– geringes Gewicht,
– hohe Energieeffizienz,
– geräuschloser Betrieb und
– Self-Sensing
aufweisen und in Zukunft noch in vielen technischen Anwendungen wie etwa Ventilantrieben, Pumpen, Positioniersystemen
oder Lautsprecheranwendungen von sich reden machen werden.
Literatur
—
[1] T Li, C Keplinger, R Baumgartner, S Bauer,W Yang, Z Suo, Giant voltage-induced
deformation in dielectric elastomers near the verge of snap-through instability, Journal of the
Mechanics and Physics of Solids, Volume 61, Issue 2, February 2013, Pages 611-628, ISSN 0022-5096,
http://dx.doi.org/10.1016/j.jmps.2012.09.006
—
[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Leidener_Flasche
—
[3] C Keplinger, M Kaltenbrunner, N Arnold, S Bauer, Röntgen’s electrode-free elastomer
++
actuators without electromechanical pull-in instability, Proceedings National Academy of Science
of the United States of America, vol. 107 no. 10, 2010, 4505–4510, doi: 10.1073/pnas.0913461107
—
[4] R E Pelrine, R D Kornbluh, J P Joseph, Electrostriction of polymer dielectrics with compliant
electrodes as a means of actuation, Sensors and Actuators A: Physical, Volume 64, Issue 1, 1 January
1998, Pages 77– 85, ISSN 0924-4247, http://dx.doi.org/10.1016/S0924-4247(97)01657-9
—
[5] R E Pelrine, R D Kornbluh, Q Pei, J P Joseph, High-Speed Electrically Actuated Elastomers with
—
[6] http://mybroadband.co.za/news/wp-content/uploads/2012/01/Vivitouch.jpg
—
[7] http://www.vivitouch.com/images/headphone_infographic.jpg
—
[8] A York, J Dunn, S Seelecke, Systematic approach to development of pressure sensors using
Strain Greater Than 100%, Science 4 February 2000: Vol. 287 no. 5454 pp. 836 –839
dielectric electro-active polymer membranes Smart Mater. Struct.22, 094015, 2013, doi:10.1088/0964–
1726/22/9/094015
Innovation beginnt im Kopf. Seit über 100 Jahren
versorgen wir das Saarland mit Strom und investieren in die
Zukunft unseres Landes: In Erneuerbare
S
Prof. Dr.-Ing. Stefan
eelecke hat an der Technischen
Universität Berlin Physikalische Ingenieurwissenschaft studiert und dort auch promoviert. 1999 habilitierte er sich mit
einer Arbeit im Bereich Thermodynamik. Von 2001 bis 2010
war er als Professor an der North Carolina State University in
Raleigh, USA beschäftigt. Dort gründete und leitete der Spezialist für Smart Materials und neuartige Antriebsysteme das
Labor für Adaptive Strukturen. Seine Forschung wurde von
der National Science Foundation, den National Institutes of
Health, der NASA und diversen Industrieunternehmen gefördert. Seit 2011 ist Seelecke Universitätsprofessor für Unkonventionelle Aktorik an der Universität des Saarlandes. Neben
seiner universitären Lehr- und Forschungstätigkeit leitet er
auch Forschungsprojekte am Zentrum für Mechatronik und
Automatisierungstechnik (ZeMA). Er beschäftigt sich mit
neuartigen Antrieben aus sogenannten aktiven Materialien.
Dazu gehören beispielsweise Formgedächtnislegierungen,
also Metalle, die sich trotz Verformung an ihre frühere Formgebung »erinnern« können. Mit diesen Materialien lassen sich
Antriebssysteme mit höherer Energieeffizienz entwickeln,
z. B. in der Automobilindustrie, in der Medizintechnik und
in der Robotik.
Energien,
Klimaschutz, Neue Technologien und Ausbildung.
urznachrichten aus der Forschung
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Kurznachrichten
Saarbrücker Ingenieure sagen bei laufendem
Betrieb voraus, wann der Ölwechsel fällig ist
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Vorausschauende Wartung von schwer zugänglichen
Anlagen, keine unnötigen Ölwechsel und Laborkosten, weniger Umweltbelastung: Ein neues Verfahren, das Saarbrücker Messtechniker gemeinsam mit Partnern entwikkelt haben, ermöglicht die Überwachung der Qualität von
Schmier- und Hydraulikölen und anderer Flüssigkeiten
während des laufenden Betriebs. Das kleine Sensorsystem kann mobil zum Einsatz kommen und auch leicht in
Industrie-, Windkraftanlagen und Maschinen eingebaut
werden. Es misst auf optische Weise den chemischen Zustand und die Partikelbelastung des Öls und sagt voraus,
wann ein Ölwechsel ansteht.
Wird Öl zu spät gewechselt, drohen Schäden. Das gilt
beim Auto ebenso wie für große Industrieanlagen. Schmieröl,
das Reibung und Verschleiß verringert und ein Heißlaufen
verhindert, wird durch Abrieb mit Metallstaub und Partikeln
angereichert, zudem oxidiert das Öl im Betrieb. Auch Zusätze, die die Schmiereigenschaften optimieren, sind früher
oder später verbraucht. Irgendwann schmiert das Öl dann
nicht mehr. Die Krux: »Wann genau das Öl gewechselt werden muss, ist nicht offensichtlich«, sagt Professor Andreas
Schütze. Gerade bei schwer erreichbaren Anlagen – wie Windkraftanlagen auf hoher See – bleibt nur, entnommene Proben
aufwändig und teuer im Labor zu prüfen oder das Öl auf
Verdacht turnusmäßig zu wechseln. »So wird oft noch gutes
Öl aufwändig und unnötig gewechselt – mit hohen Kosten für
Betreiber und Umwelt«, erklärt der Messtechniker.
Sein Team am Lehrstuhl für Messtechnik und am ZeMA
hat gemeinsam mit Partnern aus Hochschulen und Industrie
ein Messsystem entwickelt, das in die Anlage selbst eingebaut werden und dort die Ölalterung bei laufendem Betrieb
ständig messen und überwachen kann. Die Daten aus dem
Messsystem werden über Mobilfunk übertragen, so dass eine
Auswertung unabhängig vom Standort der Anlage erfolgen
kann. Auch mobil ist das System einsetzbar: »Mit unseren
Messsystemen lassen sich drohende Schäden früh erkennen
und abwenden. Wartungseinsätze können vorausschauend
geplant werden«, erläutert Schütze. Auch für Hydrauliksysteme eignet sich das Verfahren das sich auch zur Überwachung anderer Flüssigkeiten eignet.
Bei dem Saarbrücker Verfahren wird die Flüssigkeit
durchleuchtet: Zum einen mit einer Laserdiode, wobei Partikel im Öl oder Fluid das Licht streuen. »Jede Partikelart
streut das Licht anders, manche werfen mehr, andere weniger Licht in die jeweiligen Richtungen. Diese Streuung wird
von Fotodioden erfasst und die Signale ausgewertet. Hierbei
kann zwischen Metallstaub, sonstigen Partikeln und Luftblasen unterschieden und die jeweilige Konzentration bestimmt werden«, erklärt Ingenieur Eliseo Pignanelli, der das
System weiterentwickelt hat. Zum anderen wird das Fluid, das
durch das Messsystem fließt, mit Infrarotlicht beleuchtet und
die Strahlen aufgefangen, die es durchdringen. »Hierdurch
können Rückschlüsse auf den chemischen Zustand des Öls
gezogen werden, denn wenn es sich chemisch verändert,
verändert sich auch das empfangene Lichtspektrum«, sagt
Pignanelli. So kann etwa auch ermittelt werden, ob Wasser
in das System eingedrungen ist.
Auch bei schwer erreichbaren Anlagen wie Windkrafträdern auf hoher See (im Hintergrund eine Windrad-Nabe) kann mit eingebautem Messsystem vorhergesagt werden,
wann das Öl ausgewechselt werden muss. Prof. Andreas Schütze (links) und DiplomIngenieur Eliseo Pignanelli (rechts) können mit ihrem Mess-System im die Ölalterung
auch vor Ort prüfen. (Foto: Oliver Dietze)
Die Saarbrücker Ingenieure entwickelten das Verfahren
in mehreren Forschungsprojekten, an denen auch Partner
aus Wissenschaft und Wirtschaft beteiligt waren, darunter
die Firma HYDAC Electronic GmbH aus Gersweiler und die
EADS Deutschland GmbH (Innovation Works). Insbesondere wurde an den nanostrukturierten Schichten der Mikrosensoren geforscht, um ihre optischen und mechanischen Eigenschaften zu optimieren und etwa für hohe Druckverhältnisse
anzupassen. In Kooperation mit dem ZeMA in Saarbrücken
wird das Verfahren zur Marktreife entwickelt.
Am ZeMA (Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik) in Saarbrücken arbeiten Saar-Uni, Hochschule
für Technik und Wirtschaft sowie Industriepartner zusammen,
um neue Methoden aus der Forschung in die industrielle Praxis
umzusetzen. http://www.zema.de/
Ihr Ansprechpartner:
$ANIEL$UVALL
0ERSONALMANAGEMENT
4ELEFON
%-AILDDUVALL GRGGMBHCOM
7IRFREUENUNSDARAUF3IEKENNENZULERNENÙ
'+6'4'0(15706'4
999T).1$#.g4'611.g)4172T%1/
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hJJLFF'$#%*
urznachrichten aus der Forschung
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Kundenbindung durch Emotion:
Wie Markenwelten erlebnisorientierte
Besucher begeistern
Ob Erlebnispark mit Alpenpanorama oder gekonnte
Präsentation im New Yorker Glaspalast – bekannte Marken
werden immer häufiger in so genannten Markenwelten in
Szene gesetzt. An diesen realen Begegnungsorten können
Kunden und Besucher die Marke interaktiv und mit allen
Sinnen erleben. Das Institut für Handel & Internationales
Marketing (H.I.MA.) der Universität des Saarlandes hat unter der Leitung von Institutsdirektor Prof. Joachim Zentes
einige erfolgreiche Markenwelten untersucht und daraus
konkrete Handlungsempfehlungen für die Gestaltung dieses hoch-emotionalen Marketinginstrumentes abgeleitet.
Futuristische Pavillons, ein Automobilmuseum und ein
riesiger Landschaftspark mit Autoteststrecken, Dufttunnel
und Panorama-Schifffahrt auf dem Mittellandkanal: Die VWAutostadt in Wolfsburg bietet ein Erlebnisprogramm für die
ganze Familie, das kaum an einem einzigen Tag zu bewältigen ist. Hier wird eine Marke so inszeniert, dass Verbraucher sie mit allen Sinnen erleben können«, erklärt Joachim
Zentes, der mit Wissenschaftlern seines Institutes Marken-
Markenwelt, die man auch als das ›Wohnzimmer einer Marke‹
bezeichnen kann.
Als Ergebnis ihrer Analyse unterscheiden die Wirtschaftswissenschaftler drei verschiedene Ausprägungen von Markenwelten: so genannte Brandlands, Showrooms und Flagship
Stores. »Mit ihrer aufwändigen Markeninszenierung richten
sich Brandlands nicht nur an Kunden, sondern dienen auch
als Orte der Identifikation für Firmenmitarbeiter in aller Welt.
Ihr Kennzeichen ist, dass sie auf besonders hohe Emotionalität und Interaktivität setzen«, erklären die Saarbrücker
Forscher. Untersucht wurden unter anderem die Swarovski
Kristallwelten im österreichischen Wattens in der Nähe von
Innsbruck.
Im Gegensatz zu Brandlands sind Showrooms nicht am
Unternehmensstandort angesiedelt, sondern finden sich in
Toplagen in den Innenstädten von Metropolen. »Showrooms
sind kleinere Einrichtungen, die aufgrund ihrer Lage räumlich eingeschränkt sind.« Im Vordergrund stehen auch hier
Interaktiv geht es beispielsweise in der »Bunten Schokowelt« von Ritter Sport am
Die Swarovski Kristallwelten befinden sich in Wattens nahe Innsbruck – © Swarovski
Kristallwelten, Foto: A. Jasiutyn
welten bekannter Hersteller unter die Lupe genommen hat.
Die Saarbrücker Wissenschaftler untersuchten die Markenwelten der internationalen Unternehmen Ritter Sport,
Dr. Oetker, Swarovski, Krombacher, Porsche und Miele –
»allesamt Marken mit überragendem Standing innerhalb
ihrer Branche, die ihre Anziehungskraft aus langjähriger
Tradition, herausragender Qualität oder einem besonderen
Verständnis für die Bedürfnisse ihrer Zielgruppen speisen«,
erläutert Benjamin Ney, wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Institut. Auf der Suche nach immer neuen Differenzierungspotenzialen im Wettbewerb setzten starke Marken inzwischen
auf die emotionale Ansprache ihrer Zielgruppe in Markenwelten. »Nirgendwo sonst gerät ein Besucher mit seinen
Sinnen so unmittelbar in Berührung mit den Produkten und
der Identität einer Marke wie in einer unternehmenseigenen
Information und Entertainment, Verkauf findet nicht oder
nur eingeschränkt statt. Interaktiv geht es beispielsweise in
der »Bunten Schokowelt« von Ritter Sport am Berliner Gendarmenmarkt zu. Hier können die Besucher des Werks mit
Stammsitz in Baden-Württemberg aus einer riesigen Auswahl
an gängigen sowie exotischen Zutaten ihre eigene Schokolade
kreieren und sofort von einem Chocolatier anfertigen lassen.
Die Studie »Markenwelten: Markensensualität und
Markenidentität« der Autoren Joachim Zentes, Benjamin
Ney und Daniel Keßler kann auf Anfrage beim Institut für
Handel & Internationales Marketing (H.I.MA.) bezogen
werden. Außerdem kann man sie unter folgendem Link herunterladen: www.hima.uni-saarland.de
Kurznachrichten
Berliner Gendarmenmarkt zu. Foto: www.dermarkentag.com
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