Und das war ein voller Erfolg – mit interessanten Gesprächen und viel Begeisterung für Forschung und Studium fanden zahlreiche Besucher:innen ihren Weg zum MAPEX-Stand im GW2. Neben Informationen zur Core Facility, dem Masterstudiengang ProMat und den Qualifizierungsangeboten für Promovierende konnte auch ein Exponat aus dem Forschungsprojekt „Circular Electronics“ entdeckt werden.

In direkter Nachbarschaft zum Fachbereich 4, dem Matena innovate! Center und dem Exzellencluster „Die Marsperspektive“ konnte das MAPEX zeigen, wie vielfältig die Forschungen und Vorhaben seiner Mitglieder sind. Wir bedanken uns bei allen Besucher:innen herzlich für ihr Kommen und das Interesse an nachhaltigen Forschungsthemen – wir freuen uns schon auf das nächste Mal! 

Das Video ist Teil der Reihe „We Are Connected“, in der Personen aus den Bereichen Forschung, Lehre, Transfer und Verwaltung vorgestellt werden, die campusübergreifend zusammenarbeiten. Die Northwest Alliance vereint zwei Reformuniversitäten mit jahrzehntelanger Erfahrung in Forschung, Lehre und Wissenstransfer – die Universität Bremen und die Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg. 

Sehen Sie das ganze Video hier: https://northwest-alliance.de/en/detailseite-we-are-connected-walther-may/

Zum Einstieg hat er einige Fragen beantwortet, um sich MAPEX und seinen Mitgliedern vorzustellen:

Herr Henning, worauf freuen Sie sich bei MAPEX besonders?

„Es sind vor allem die Menschen. In den letzten zwei Jahren hatte ich bereits die Gelegenheit, den beeindruckenden MAPEX-Spirit kennenzulernen. Deshalb freue ich mich riesig darauf, Teil eines so starken Teams zu werden, und hoffe, dass ich dazu beitragen kann, unsere Ideen in lebendige Projekte und Anwendungen umzusetzen.“

Was macht MAPEX für Sie besonders?

„Dank seiner interdisziplinären Stärken ist MAPEX ein äußerst wettbewerbsfähiger Akteur in der Materialwissenschaft, wo bahnbrechende Entdeckungen oft an den Schnittstellen verschiedener Disziplinen entstehen. Als übergeordnetes Ziel konzentriert sich MAPEX auf die Forschung und Entwicklung von Materialien und Verfahren für eine nachhaltige Zukunft. Und dieser Fokus auf Nachhaltigkeit ist für mich persönlich sehr motivierend.“

Was hat Sie dazu bewogen, eine Karriere im Forschungsmanagement einzuschlagen?

„In meiner ersten Postdoc-Stelle war ich an einem EU-Kooperationsprojekt beteiligt, wo ich die Rolle der Projektmanagers innehatte und zahlreiche Koordinationsaufgaben wahrnahm. Seitdem begeistert mich die Arbeit an der Schnittstelle zwischen exzellenter Forschung, unterstützender Verwaltung und strategischem Management.“

Was haben Sie gemacht, bevor Sie zu MAPEX gekommen sind?

„Ich bin ausgebildeter Mikrobiologe. Nach meinem Wechsel in den Bereich Wissenschaftsmanagement war ich zunächst als Projektmanager und später als Forschungsreferent und Antragsberater tätig. Ich leitete die Abteilung für Forschungsförderung am Alfred-Wegener-Institut und war Referatsleiter für Wissenschaftsplanung und Forschungsförderung bei der Senatorin für Umwelt, Klima und Wissenschaft des Landes Bremen.“

Ein großes Dankeschön geht an unsere Mentor:innen, die mit ihrer Expertise die Studierenden auf ihrem Weg begleiten – und an alle, die mit uns an der Zukunft der Materialwissenschaften mitwirken.

Wir freuen uns auf spannende Projekte und wünschen einen erfolgreichen Studienstart! Mehr über ProMat erfahren Sie hier: Masterstudiengang Prozessorientierte Materialforschung - Universität Bremen

Looking back, moving forward

Wir blickten auf bedeutende Erfolge zurück, stellten laufende Forschungsaktivitäten vor und tauschten Visionen für die Zukunft aus. Ausgewählte Projekte aus unserem Ideenwettbewerb zeigten Wege zu neuen Forschungsthemen und Kooperationen auf. Während einer Podiumsdiskussion tauschten Expert:innen ihre Visionen zum Thema „Das nächste Jahrzehnt: Strategien zur Förderung von Innovationen in Materialien und Prozessen” aus und diskutierten darüber.

Es war großartig, auf erfolgreiche Kooperationen zurückzublicken und einen Ausblick auf zukünftige Innovationen zu geben – darunter das Matena innovate! Center, der Exzellenzcluster „Die Marsperspektive” und das MarsLab. Zwei besondere Höhepunkte waren die Sitzungen zum Ideenwettbewerb. Um die nächste Generation der gemeinsamen Forschung zu gestalten, hatten zwei ausgewählte Teams die Möglichkeit, ihre Ideen während des Symposiums vorzustellen: Björn Lüssem und sein Team stellten ein Projekt zum Thema „Kreislaufwirtschaftliche elektronische Materialien für ein fortschrittliches E-Abfall-Management” vor. Andreas Rademacher und sein Team luden die Teilnehmenden ein, sich mit dem Thema „Funktionalität von Produkten unter Materialunsicherheiten” auseinanderzusetzen. Maylin Homfeldt, Robert Meißner, Georg Pesch und Evgeniya Kabliman gaben Einblicke in abgeschlossene und neu gestartete MAPEX-Projekte – und die Geschichten dahinter.

Forum am Domshof

Nach einem Tag voller wissenschaftlicher Entdeckungen im Forum am Domshof luden wir unsere Teilnehmer zu einer Dinner-Bootsfahrt ein, bei der wir eine einzigartige Mischung aus Wissenschaft und Kunst erleben durften, darunter Einblicke eines Wissenschaftlers in die Entwicklung von Instrumentensaiten und eine besondere musikalische Darbietung von Musiker:innen des NDR Elbphilharmonie Orchesters.

Vielen Dank an alle, die das 10-jährige Jubiläum von MAPEX zu einem solchen Erfolg gemacht haben! Wir feierten unseren Geburtstag mit inspirierenden Vorträgen, Präsentationen und Diskussionen – und vielen geschätzten Kolleg:innen, die das MAPEX im Laufe der Jahre geprägt haben. Ein besonderer Dank gilt dem Organisationskomitee, den geladenen Referent:innen und Podiumsgästen sowie allen Teilnehmenden. Es war eine großartige Gelegenheit, wieder mit der MAPEX-Community in Kontakt zu treten und gemeinsam die Zukunft der Materialwissenschaft zu gestalten.

Zum Programm

Nach einer Begrüßung durch Lucio Colombi Ciacchi gingen die Lehrer:innen selbst ins Labor. Jörg Thöming führte sie durch Messungen am Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien. Mit Fabio La Mantia ging es in die Labore am Fraunhofer IFAM.

Zum Abschluss erarbeiteten die Teilnehmenden gemeinsam mit Isabell Harder konkrete Konzepte für den Unterricht: Wie lässt sich aktuelle Forschung in den Fachunterricht einbinden? Wie können Materialien didaktisch sinnvoll reduziert werden? Wie sähe eine Unterrichtseinheit aus? Auch strukturelle Überlegungen standen zur Debatte. Diskutiert wurde, wie sich inhaltliche und zeitliche Herausforderungen bewältigen lassen und wie Universitäten und Schulen in Zukunft enger zusammenarbeiten können.

Erstes positives Fazit des Workshops: Aktuelle Forschung bietet ein großes Potenzial für den Schulunterricht. Sie kann Schüler:innen motivieren, sich mit realen und zeitgemäßen Themen auseinanderzusetzen und deren Relevanz besser zu verstehen.

Das zukünftige Labor ist eine wichtige neue Forschungsinfrastruktur für die „Humans on Mars“-Initiative. Die dort durchgeführte Forschung wird nicht nur wegweisende Erkenntnisse im Bereich der extraterrestrischen Raumfahrtforschung ermöglichen, sondern auch die Entwicklung nachhaltiger Technologien für die Erde vorantreiben. 2028 wird das gesamte Mars-Labor fertiggestellt sein, wobei einzelne Module und Funktionen schon ab 2026 nutzbar sind.

Mit dem geplanten Mars-Labor wird eine weltweit einmalige Simulationsumgebung für den Umgang mit extremen Umweltbedingungen und Ressourcenknappheit in Bremen geschaffen. Durch die von Anfang an mitgedachte Abwesenheit von Atemluft, großen Wasservorräten, fossilen Brennstoffen, sowie einer sehr begrenzten Anzahl von Arbeitskräften, sollen im Mars-Labor ganze Prozessketten und Produktionsanlagen unter Mars-Bedingungen entwickelt werden. Darunter fällt zum Beispiel die Produktion von Bio-Plastik aus dem Kohlendioxid der Atmosphäre und die ressourcenschonende Produktion von Bauteilen durch kleine Teams aus Menschen und Robotern.

„Dieser Ansatz hilft uns nicht nur, die Herausforderungen auf dem Mars zu bewältigen, sondern auch innovative Lösungen für die Erde zu entwickeln“, so Professor Marc Avila, Direktor des ZARM und Sprecher der „Humans on Mars“-Initiative. „Das Mars-Labor soll ein Innovationstreiber für die Produktion von Materialien und Bauteilen unter der Prämisse extrem knapper Ressourcen werden. Es wird gemeinsam mit Expert:innen aus den Materialwissenschaften, der Produktionstechnik und Robotik betrieben und kann auch von Wissenschaftler:innen anderer Forschungsinstitute oder der Industrie genutzt werden, um Prozesse unter Marsbedingungen zu testen.“

Das neue Mars-Labor bildet auch eine der zentralen Forschungsinfrastrukturen für das bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) neubeantragte Exzellenzcluster „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“. Der Exzellenzclusterantrag hat die erste Auswahlrunde in dem hochkompetitiven DFG-Verfahren bereits erfolgreich durchlaufen. Sollte auch die finale Förderentscheidung im Mai 2025 positiv ausfallen, wird ab dem 1. Januar 2026 ein interdisziplinäres Konsortium von 25 Bremer Wissenschaftler:innen im Mars-Labor innovative Grundlagenforschung betreiben.

Smart Living Lab: Intelligenter Hafen der Zukunft

Auch die bremischen Häfen erhalten eine Förderung: Die EU unterstützt ein Smartport Living Lab mit 2,8 Millionen Euro. Damit wollen fünf Forschungsinstitute aus Bremen und Bremerhaven gemeinsam innovative Lösungen für den digitalisierten Hafen der Zukunft entwickeln.  
Denn die bremischen Häfen stehen vor vielfältigen Herausforderungen. Um wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen die Hafenprozesse digitalisiert und automatisiert werden. Dabei arbeitet die bremische Hafenwirtschaft bereits seit vielen Jahren mit Bremer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern zusammen.

Mit der Förderung wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Systeme wie zum Beispiel Drohnen und Laufroboter für die Zustandsüberwachung der Hafensuprastruktur oder einen autonomen Schiffsdemonstrator beschaffen. Durch eine intelligente Vernetzung dieser Systeme über eine Kooperationsplattform sollen die Prozesse im Hafen optimiert und die Sicherheit und Resilienz von (digitalen) Infrastrukturen in der maritimen Logistik erhöht werden. Dafür wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gemeinsam mit der Hafenwirtschaft Projekte beantragen und durchführen, um die wissenschaftlichen Erkenntnisse möglichst schnell in die praktische Anwendung zu überführen.

An dem Projekt beteiligt sind die Bremer Forschungseinrichtungen BIBA - Bremer Institut für Produktion und Logistik, das Institut für Seeverkehrswirtschaft und Logistik (ISL), TOPAS Industriemathematik Innovation, das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI sowie das Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremerhaven.

Die Bremer Institute arbeiten bereits seit vielen Jahren im Forschungsverbund LogDynamics zusammen, dem ‚Bremen Research Cluster for Dynamics in Logistics‘. „Einer unserer Themenschwerpunkte ist die Digitalisierung der maritimen Logistik“, so LogDynamics-Sprecher Professor Michael Freitag. Aufbauend auf bisherigen Aktivitäten wie gemeinsamen Verbundprojekten und einer Konzeptstudie zum Smartport der Zukunft soll mit dem Smartport Living Lab nun ein eine Laborinfrastruktur mit innovativen Hafentechnologien aufgebaut werden. „Die Mittelzusage des Landes kommt genau zum richtigen Zeitpunkt“ so Freitag weiter, „denn gerade sind wir mit dem Aufbau unserer Innovationscommunity ‚Smartport Transfer‘ gestartet, die vom BMBF im Rahmen von DATIpilot mit 5 Millionen Euro gefördert wird. Das neue Smartport Living Lab wird ein wichtiger Baustein dieser Community werden.“

Link zur Pressemitteilung der Universität Bremen: Millionenförderung für Raumfahrt- und Hafenforschung - Universität Bremen

Ob es um Batterien für den Ausbau der Solar- und Windenergie, nachhaltige Futtermittel für die Aquakultur oder Sensoren für die Wasserstoffspeicherung geht – die materialwissenschaftliche Forschung an der Universität Bremen ist hochrelevant. Mit dem Ziel, diese Grundlagenforschung in nutzbare nachhaltige Technologien zu überführen, ist heute an der Universität Bremen offiziell das JHS innovate! Zentrum MaTeNa gegründet worden. Es wird für einen Zeitraum von bis zu zehn Jahren von der Joachim Herz Stiftung gefördert und als An-Institut an die Universität Bremen angegliedert.

Den erfolgreichen Antrag für das innovate! Zentrum MaTeNa hat das MAPEX Center for Materials and Processes an der Universität Bremen gestellt. MaTeNa steht dabei für Materialien – Technologien – Nachhaltigkeit. Im innovate! Zentrum werden Forschende aus den Materialwissenschaften mit Fachleuten aus dem Transfer- und Innovationsmanagement zusammenarbeiten, um etwa Patentierungen oder die Gründung von Start-ups voranzutreiben. Eine bedeutende Rolle spielen dabei bereits bestehende Institutionen des Wissenschaftstransfers. Dazu gehören BRIDGE, die zentrale Anlaufstelle zum Thema Existenzgründung aus Bremer Hochschulen, das Referat UniTransfer der Universität Bremen und das Patent- und Markenzentrum InnoWi.

Drei Pilotprojekte – von erneuerbaren Energien bis zu nachhaltigen Futtermitteln

Mit der Unterzeichnung der Kooperationsvereinbarung zwischen der Universität Bremen und der Joachim Herz Stiftung, der erfolgreichen Besetzung der Position der kaufmännischen Geschäftsführung durch den Innovationsökonomen Dr. Jan Wedemeier sowie der Berufung des Lenkungskreises kann das innovate! Zentrum planmäßig zu Beginn des neuen Jahres seine Arbeit aufnehmen. Zahlreiche Partner aus Forschung und Industrie haben bereits Interesse an einer Kooperation bekundet. Die Arbeit im Zentrum beginnt mit drei Pilotprojekten. Im Fokus stehen dabei die stationäre Energiespeicherung für regenerative Energien, nachhaltige Futtermittel für die Aquakultur und Sensormaterialien für eine umweltfreundliche und sichere Wasserstoffwirtschaft. In den nächsten zehn Jahren werden darüber hinaus über Ausschreibungen weitere Transferprojekte umgesetzt werden. Mitglieder vom MAPEX Center for Materials and Processes können hierzu bei dem Zentrum eine Innovationsförderung für ihre Forschung beantragen.

„Ein wichtiges Signal für neue Wege des Transfers aus der Wissenschaft“

„Wir sind sehr stolz darauf, das bundesweit erste innovate! Zentrum an der Universität Bremen aufbauen zu können. Es werden ideale Bedingungen zur Beschleunigung des Technologietransfers geschaffen. Wir werden mit den Pilotprojekten nachhaltigkeitsorientierte Beiträge für industrielle Anwendungen schaffen. Das Zentrum ist ein echtes Novum und eine riesige Chance für die Materialwissenschaften an unserer Universität. Ich danke der Joachim Herz Stiftung für das große Vertrauen in uns“, sagte Professorin Jutta Günther, Rektorin der Universität Bremen

Professor Kurosch Rezwan, wissenschaftlicher Geschäftsführer der JHS innovate! Zentrum MaTeNa und Sprecher vom MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen, ergänzte: „Innovative Materialien und ihre Prozesse spielen eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung nachhaltiger Lösungen für technologische Herausforderungen. Die kürzlich gegründete JHS innovate! Zentrum wird im Jahr 2025 mit drei Pilotprojekten starten und schon sehr bald weitere Projekte initiieren, um die exzellente MAPEX-Grundlagenforschung durch maßgeschneiderte Transferprojekte beschleunigt in die Praxis umzusetzen. Bereits jetzt erleben wir ein enormes Interesse seitens Wissenschaft und Industrie.“

„Die Gründung des JHS innovate! Zentrum MaTeNa ist ein wichtiges Signal für neue Wege des Transfers aus der Wissenschaft. Es bietet die Chance, systemische Hürden zu überwinden und für den Transfer ein Modell zu schaffen, das eine höhere Innovationsgeschwindigkeit ermöglicht. Und diese ist für die Zukunft unseres Landes zwingend erforderlich“, sagte Professorin Sabine Kunst, Vorstandsvorsitzende der Joachim Herz Stiftung.

„Es ist ein großer Gewinn für den Bremer Wissenschaftsstandort, dass die Joachim Herz Stiftung und die Universität Bremen das innovate! Zentrum MaTeNa gründen. Wir freuen uns besonders, dass unsere Universität dafür als einzige in ganz Deutschland von der Stiftung dafür ausgewählt wurde. Das unterstreicht eindrucksvoll die Spitzenposition und Innovationsstärke unserer Universität sowie die Attraktivität des Wissenschaftsstandorts insgesamt. Wir sind in Bremen besonders gut darin, wissenschaftliche Erkenntnisse in die Praxis zu übertragen. MaTeNa bringt uns hier im Bereich Materialwissenschaft - Technologien - Nachhaltigkeit noch weiter voran. Das ist wichtig und es ist notwendig. Denn Herausforderungen wie Klimakrise oder Ressourcenknappheit brauchen Antworten und Lösungen. Daran arbeiten viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Bremen jeden Tag, nun auch im neuen innovate! Zentrum MaTeNa“, äußerte sich Irene Strebl, Staatsrätin für Umwelt, Klima und Wissenschaft.

Weitere Informationen:

https://www.joachim-herz-stiftung.de/forschen/forschung-und-anwendung/innovate-zentrum
https://www.uni-bremen.de/mapex-center-for-materials-and-processes-1

Fragen beantwortet:

Professor Kurosch Rezwan
Wissenschaftlicher Geschäftsführer des innovate! Zentrum MaTeNa
MAPEX Center for Materials and Processes
Universität Bremen
Tel. +49 421 218-64580
Email: krezwan@uni-bremen.de

Bürgermeister Andreas Bovenschulte hat die Universität Bremen besucht und sich über die aktuellen Entwicklungen beim Förderwettbewerb Exzellenzstrategie von Bund und Ländern informiert. Im Fokus des Besuches standen der neu beantragte Exzellenzcluster „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“ des Wissenschaftsschwerpunkts Materialwissenschaften und ihre Technologien und der bestehende Exzellenzcluster „Der Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde“ im MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften.

Bürgermeister Andreas Bovenschulte zeigte sich auf dem Rundgang von der Innovationsstärke der Forschung an der Universität beeindruckt. Im Gespräch mit den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern bekam er einen Eindruck davon, was es bedeutet, an einem so hochkarätigen Förderwettbewerb teilzunehmen.

Bürgermeister Andreas Bovenschulte: „Die Leistung der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Universität Bremen ist wirklich beeindruckend. Nicht nur, weil sie wissenschaftlich herausragend ist, sondern auch, weil sie sich mit existenziellen Zukunftsfragen befasst. Nach meiner festen Überzeugung ist die Universität damit für den Exzellenzwettbewerb gut gerüstet. Jetzt heißt es Daumen drücken, dass wir uns im nationalen Wettbewerb behaupten.“

Rektorin Professorin Jutta Günther: „Wir betreiben an der Universität Bremen Exzellenz nicht um der Exzellenz willen, sondern aus gesellschaftlicher Verantwortung. Unsere Spitzenforschung in den Exzellenzclusterteams der Material- und Meereswissenschaften leistet wichtige Beiträge zu drängenden Problemen unserer Zeit. Als Unileitung sind wir stolz auf das bis hierher im Exzellenzwettbewerb erreichte. Wir freuen uns, dass der Bürgermeister mit seinem Besuch unsere Spitzenforscher:innen würdigt. Sie stehen stellvertretend für alle, die an der Universität Bremen mit ihrer herausragenden Forschung unverzichtbar wertvolle Beiträge für die Wissenschaft und Gesellschaft leisten.“

Am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) wurde das MaMBA – Moon and Mars Base Analog (MaMBA-Labor) besichtigt, das in den kommenden Jahren um eine Anlage zum Testen von Produktionsabläufen unter Marsbedingungen erweitert werden soll – beides weltweit einzigartige Forschungsinfrastrukturen.

Anschließend fand ein Besuch des von Professorin Kirsten Tracht geleiteten Bremer Instituts für Strukturmechanik und Produktionsanlangen (bime) statt. Das Erproben interaktiver Exponate verdeutlichte das Potential von Technologien wie Virtual Reality und künstlicher Intelligenz sowie deren Applikationsmöglichkeiten in Produktionsszenarien auf dem Mars.

Halten wir uns an entlegenen Orten auf der Erde auf, dann bringen wir ausreichend Vorräte mit; im Weltraum werden die Astronaut:innen an Bord der Internationale Raumstation ISS regelmäßig mit Hilfe von Frachtkapseln versorgt. Doch wenn wir zum Mars wollen, sind weder große Vorräte noch ein kontinuierlicher Nachschub möglich. Der Transportweg ist zu riskant und die Kosten zu hoch. Die Lösung liegt somit darin, aus vor Ort vorhandenen Rohstoffen lebensnotwenige Verbrauchsgüter herzustellen.

Dr. Cyprien Verseux hat bereits nachgewiesen, dass manche Cyanobakterien in der Lage sind, aus den natürlichen Ressourcen des Mars Sauerstoff und Biomasse zu produzieren. Erste Forschungsergebnisse erzielte er im Laboratory of Applied Space Microbiology (LASM), welches er am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen leitet.

Die große Frage ist nun: Wie kann dies auf effiziente Art und Weise gelingen? Dazu ist ein besseres Verständnis davon notwendig, wie Cyanobakterien auf zellulärer und molekularer Ebene die Mars-Ressourcen verstoffwechseln. Unter anderem soll dies durch Laborexperimente mit einer eigens entwickelten Apparatur untersucht werden, in der wenig mehr als die Rohstoffe aus dem Marsboden und der Marsatmosphäre verwendet werden. Zusätzlich zur Laborarbeit sollen mathematische Modelle entwickelt werden, die die Wachstumsraten, Produktivität und Effizienz der Bakterienkulturen vorhersagen.

Das Starting Grant des European Research Council eröffnet Cyprien Verseux und seinem Forschungsteam neue Möglichkeiten – insbesondere durch die Einrichtung von zwei Promotionsstellen. „Mit unserem Projekt ,MarCyano‘ möchten wir zwei Ziele erreichen. Zum einen wollen wir grundlegende Erkenntnisse darüber erhalten, wie die Cyanobakterien auf Umgebungsbedingungen reagieren, die für sie ,fremd‘ sind, wenn sie beispielsweise einer Atmosphäre ausgesetzt sind, die auf der Erde nicht existiert. Zum anderen sollen Lösungen entwickelt werden, die dazu beitragen, die Erkundung des Mars durch den Menschen nachhaltig zu gestalten", erklärt der Wissenschaftler.

Verseux und sein Team befassen sich jedoch nicht nur mit Nachhaltigkeitskonzepten bei Langzeit-Marsmissionen. Ihre Erkenntnisse und entwickelten Systeme werden sie auch in neue Denkansätze und Technologien übersetzen, die einem nachhaltigeren Umgang mit natürlich vorhandenen, aber zunehmend knapper werdenden Ressourcen auf der Erde dienen.

Verseux ist Mitglied der Initiative „Humans on Mars“ und am Antrag für das Exzellencluster „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“ der Universität Bremen beteiligt. Seine Expertise fließt in das interdisziplinäre wissenschaftliche Team ein, dessen Forschung nun dazu beitragen könnte, der Universität Bremen erneut den Exzellenzstatus zu sichern.

Über Cyprien Verseux:

Der französische Biologe Dr. Cyprien Verseux forscht seit 2019 am Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation der Universität Bremen. Dort baute er das „Laboratory of Applied Space Microbiology“ (LASM) auf, dessen Leiter er heute ist. Zuvor promovierte er mit dem Schwerpunkt Astrobiologie an der Universität Rom II, Italien, und am NASA Ames Research Center in Kalifornien, USA.

Er selbst verfügt über eigene Erfahrungen mit Explorationsmissionen in abgelegenen Gebieten: 2018 leitete er die französisch-italienische Concordia-Forschungsstation in der Antarktis. Dort verbrachte er ein Jahr, einschließlich der Wintermonate, in denen die Temperaturen auf bis zu minus 80 °C sinken können und monatelange Dunkelheit herrscht. 2015 nahm er am Marssimulationsprojekt HI-SEAS der NASA teil und lebte zusammen mit fünf Wissenschaftler:innen für ein Jahr isoliert in einer „Marsstation“ an den kargen Hängen des Mauna Kea Vulkans auf Hawaii, USA.

Seine wissenschaftliche Leistung wurde 2019 bereits mit einem Forschungsstipendium der renommierten Alexander von Humboldt-Stiftung ausgezeichnet.

Weitere Informationen:

www.zarm.uni-bremen.de/de/forschung/explorationsforschung/laboratory-of-applied-space-microbiology.html
https://youtu.be/_lHsDTE1e0E?si=RvbTW4ooV742CV8w (Video über das LASM-Labor)
https://www.up2date.uni-bremen.de/artikel/auf-mars-mission (Artikel im Magazin up2date)
www.uni-bremen.de

Fragen beantworten:

Jasmin Plättner
ZARM Kommunikation
E-Mail: jasmin.plaettner@zarm.uni-bremen.de
Telefon: +49 0421 218-57794

Dr. Cyprien Verseux
Universität Bremen
Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
E-Mail:  cyprien.verseux@zarm.uni-bremen.de
Telefon:+49 0421 218-57830

Die Teilnehmenden des Science Slam Workshops konnten gleich vor Ort ausprobieren, ihre Forschungsprojekte fachfremden Zuhörer*innen näherzubringen: Promovierende aus den Technik- und Naturwissenschaften nahmen gemeinsam mit Promovierenden aus den Geisteswissenschaften teil. Das MAPEX Center for Materials and Processes hatte den Workshop gemeinsam mit dem Graduiertenkolleg Worlds of Contradiction organisiert.

Am 7.5.2024 treten einige der neuen Slammer*innen von der Uni Bremen live auf der Bühne auf. Tickets für den Science Slam Abend im Bremer Schlachthof gibt es hier: www.scienceslam.de/termine/science-slam-in-bremen-im-mai-2024/

Autor:in: Sabine Nollmann/Vanessa Roolfing

Beim Schimmel ist es gut mit bloßem Auge zu erkennen: das feine Fadengeflecht der Pilze, das zumeist verborgen im Boden oder in Biomasse wächst. Das sogenannte „Mycel“ oder „Myzel“ birgt Eigenschaften, die uns bei der Vermeidung von umweltschädlichem Verpackungsmüll sehr dienlich sein können. Neue abbaubare Myzel-Verbundwerkstoffe in Verbindung mit angepassten Produktionsmethoden, dazu forschen nun Wissenschaftler:innen der Universitäten Göttingen und Bremen sowie vom BIBA – Bremer Institut für Produktion und Logistik. Dabei behalten sie den ganzen Produktlebenszyklus im Blick und binden künstliche Intelligenz ein.

Myzel hat das Potenzial, Biomasse mit seinen Pilzfäden in einen hochleistungsfähigen Verbundwerkstoff umzuwandeln, der ideal für biologisch abbaubare Verpackungsanwendungen geeignet ist. Ziel des Projekts „Kreislaufwirtschaft: Entwicklung einer innovativen Methode zur Herstellung, Nutzung und Recycling von biologisch abbaubaren Verpackungen aus Myzel-Verbund-werkstoffen“ (MycelCycle) ist die Entwicklung einer integrierten Material-, Prozess- und Produktentwicklungsmethodik für Myzel-Verbundwerkstoffe. Diese Methodik wird die aktuellen Herausforderungen des Produktlebenszyklus in Bezug auf Materialauswahl, Materialaufbereitung, Recycling und Wiederverwendung angehen.

Lokale Ressourcen und geschlossene Stoffkreisläufe

Besonders im Fokus steht die Verwendung lokal verfügbarer organischer Rest- und Abfallstoffe, um kurze Transportwege und eine nachhaltige Herstellung zu ermöglichen. Diese Rohstoffe werden energiesparend sterilisiert, kombiniert und mit gleichbleibender Qualität aufbereitet, um eine Produktion, Verwendung und Recycling in höchster Qualität zu gewährleisten. Das vorrangigste Ziel bleibt dabei die Sicherung eines bestmöglichen Stoffkreislaufs.

Innovative Anwendung: Myzel für Isolierkühlboxen

Ein konkretes Beispiel für die Anwendung von Myzel-basierten Werkstoffen sind Kühlboxen für den Versand. In diesem Forschungsprojekt wird hierzu die Umsetzung eines geschlossenen Stoffkreislaufs angestrebt. Zudem wird die Zweitverwendung des Materials als geschreddertes Schüttgut für Versandverpackungen und sogar als Ausgangsmaterial für weitere Myzel-Kühlboxen untersucht.

Mithilfe künstlicher Intelligenz

Ein weiteres Highlight dieses Projekts ist der Einsatz künstlicher Intelligenz (KI) zur Identifizierung optimaler Ausgangsmaterialkombinationen und zur Optimierung der Prozesssteuerung. Durch den Einsatz neuester Technologien wird gewährleistet, dass die Materialien effizient und nachhaltig hergestellt werden können.

Nachhaltige Lösungen für eine wachsende Herausforderung

In Deutschland hat sich die Menge der Verpackungsabfälle in den vergangenen dreißig Jahren mehr als verdoppelt, und der Trend hält an. „Auch gesetzliche Regelungen verlangen hier Umstellungen hin zu umwelt- und klimaschonenden Produkten und Verfahren“, sagt BIBA-Direktor und Projekt-Initiator Professor Michael Freitag. „Der Einsatz neuer ökologisch unbedenklicher Werkstoffe und damit einhergehender Prozesse werden zunehmend zu einem Erfolgsfaktor. Die Forschungen im Projekt ‚MycelCycle‘ mit ihren ganzheitlichen Betrachtungen sollen einen Beitrag dazu leisten, nachhaltiger zu wirtschaften und eine effiziente sowie zugleich effektive Kreislaufwirtschaft zu realisieren.“

Transfer und Dialog

Ein weiteres Projektziel ist es, das gewonnene Wissen zu teilen und zu verbreiten, sich mit allen Interessengruppen aus Forschung und Praxis konstruktiv auszutauschen und so neue Impulse zu erhalten. So sollen auch neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Myzel-Produkten für verschiedene Branchen identifiziert werden.

Zu „MycelCycle“:

Das 4-jährige Forschungsvorhaben „MycelCycle“ (Kreislaufwirtschaft: Entwicklung einer innovativen Methode zur Herstellung, Nutzung und Recycling von biologisch abbaubaren Verpackungen aus Myzel-Verbundwerkstoffen) wird von der VolkswagenStiftung mit 1,26 Millionen Euro gefördert. Forschungspartner sind die Abteilung Molekulare Holzbiotechnologie und technische Mykologie an der Fakultät für Forstwissenschaften und Waldökologie der Georg-August-Universität Göttingen, das Institut für integrierte Produktentwicklung (BIK) aus dem Fachbereich Produktionstechnik - Maschinenbau und Verfahrenstechnik- der Universität Bremen sowie federführend das BIBA – Bremer Institut für Produktion und Logistik an der Universität Bremen.

Weitere Informationen:

www.biba.uni-bremen.de

www.uni-goettingen.de/de/67051.html

www.volkswagenstiftung.de

www.bik.uni-bremen.de

Fragen beantworten:

Prof. Dr. Michael Freitag

BIBA – Bremer Institut für Produktion und Logistik

Telefon: +49 421 218-50 002

E-Mail:

Prof. Dr. Jan-Hendrik Ohlendorf

Institut für integrierte Produktentwicklung (BIK)

Telefon: +49 421 218-64 871

E-Mail:

Pia Götz studierte an der Hochschule Bremerhaven Maritime Technologien. Ihren Master in Umweltphysik absolvierte sie an der Universität Bremen. Seit 2021 arbeitet sie als wissenschaftliche Mitarbeiterin am MAPEX Center for Materials and Processes und führt im interdisziplinären Forschungsprojekt „Digital Materialities. Virtual and Analogue Forms of Exhibition“ computergestützte Materialanalysen durch.

„Wissen um 11“ ist die Wissenschaftsmatinee in Bremen. Jeden Samstag um 11 Uhr werden dreißig Minuten lang spannende Themen aus der Wissenschaft vorgestellt.

Video des Vortrags

Mehr Informationen

Drei Antragsskizzen für die Einrichtung neuer Exzellenzcluster hat die Universität Bremen im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern eingereicht. Das Team der Humans on Mars Initiative ist nun von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) aufgefordert worden, einen Vollantrag zu seiner Skizze einzureichen.

Die Skizze aus den Materialwissenschaften gehört zu den 41 von einem Expertengremium ausgewählten Skizzen, die nun aufgefordert sind, bis Ende August 2024 einen Vollantrag einzureichen. Die endgültige Entscheidung über die Bewilligung der Cluster fällt im Mai 2025. Insgesamt waren bundesweit 143 Skizzen eingereicht worden.

Mit der Exzellenzstrategie verfolgen Bund und Länder das Ziel, Spitzenforschung an deutschen Universitäten in besonders wettbewerbsfähigen Forschungsfeldern zu stärken. Gefördert werden Exzellenzcluster: große, international sichtbare Forschungsverbünde, in denen Forschende verschiedener Disziplinen an einem Vorhaben zusammenarbeiten und die zur Profilbildung der jeweiligen Universitäten beitragen. Die Förderung gibt den Forschenden die Möglichkeit, sich intensiv auf ihr Forschungsziel zu konzentrieren, wissenschaftliche Nachwuchskräfte auszubilden und internationale Spitzenkräfte zu rekrutieren. Exzellenzcluster werden für sieben Jahren gefördert. Eine zweite Förderperiode von wiederum sieben Jahren ist möglich.

Erfolg in hochkompetitivem Verfahren

„Die Antragsskizze ‚Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit‘ hat heute eine große Hürde auf dem Weg hin zum Exzellenzcluster genommen. Darüber freue ich mich sehr und bedanke mich bei allen Beteiligten. Es sind bundesweit viele Antragsskizzen eingereicht worden. Der Wettbewerb ist hart. Dass die Forschenden der Universität Bremen diese Hürde genommen haben, zeigt, dass wir hier anerkannte Spitzenforschung haben“, sagt Kathrin Moosdorf, Senatorin für Umwelt, Klima und Wissenschaft der Freien Hansestadt Bremen.

 „Das ist ein großartiger erster Erfolg, der den Stellenwert unserer Forschung im Bereich Materialwissenschaften deutlich macht“, äußert sich Professorin Jutta Günther, Rektorin der Universität Bremen. „Die Forschenden konnten sich in einem hochkompetitiven Verfahren durchsetzen, in dem aufgrund der wenigen Plätze für neue Vollanträge auch sehr gute Forschungsvorhaben bereits ausscheiden mussten. Wir sind stolz auf alle unsere Teams, die sich in den Wettbewerb begeben haben.“ Michal Kucera, Konrektor für Forschung und Transfer, ergänzt: „Unser Dank gilt ausdrücklich allen drei Forschungsteams. Sie haben mit ihren Skizzen hervorragende, innovative Forschungsideen entwickelt, die zur weiteren Profilbildung unserer Universität und zur Stärkung unserer Wissenschaftsschwerpunkte einen wichtigen Beitrag leisten werden.“

Wegweisende Forschung aus den Materialwissenschaften

Die Forschenden waren mit ihrer Clusterskizze „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“ erfolgreich. Sie gehen davon aus, dass in den nächsten Jahrzehnten die Exploration des Mars durch den Menschen stattfindet – mit enormen Auswirkungen auf die Menschheit einerseits und die Umwelt des Mars andererseits. Eine langfristige Forschungsstation erfordert die Produktion von Materialien und Bauteilen vor Ort, aber die Knappheit an Energie, Wasser und Arbeitskraft sowie die extrem dünne CO₂-Atmosphäre stellen große Herausforderungen dar. Zudem ist durch die weite Entfernung zum Mars die Kommunikation mit der Erde nur zeitversetzt möglich. Die Marsperspektive hilft den Forschenden bei der Frage, wie eine nachhaltige Produktion unter diesen Bedingungen gelingen kann. Ziel ist es, ein Paradigma der Nachhaltigkeit zu entwickeln, das auf Ressourcenknappheit ausgerichtet ist: die Marsperspektive. Konkret wird sie von Knappheit in vier Aspekten bestimmt: Ressourcen, Energie, Arbeitskraft und Informationen. Die Forschungsergebnisse werden langfristig neue Denkansätze auf der Erde etablieren und den nachhaltigen Umgang mit knappen Ressourcen gestalten. „Mit der Marsperspektive werden wir die Produktion von Materialien unter der Prämisse von Ressourcenknappheit neu denken. Damit möchten wir nicht nur einen Beitrag für die Erforschung des Mars leisten, sondern auch für die Nachhaltigkeit auf der Erde“, sagt Professor Marc Avila, Leiter des ZARM (Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation) und Sprecher der Clusterinitiative.

MARUM stellt Fortsetzungsantrag

In der anstehenden Vollantragsphase reicht auch das Team vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften einen Antrag ein – es handelt sich dabei um einen Fortsetzungsantrag. Hier ist bereits seit 2019 einer der aktuell 57 bundesweit geförderten Exzellenzcluster angesiedelt. Daher steigt das MARUM erst jetzt zur Vollantragsphase in den laufenden Wettbewerb ein. Den Fortsetzungsantrag für den Exzellenzcluster „Der Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde“ stellen die Forschenden am MARUM dieses Mal als Verbundantrag gemeinsam mit Wissenschaftler:innen der Universität Oldenburg.

Wenn eine Universität mit mindestens zwei Clusteranträgen erfolgreich ist, darf sie sich später auch mit einem gesamtuniversitären Zukunftskonzept in der Förderlinie „Exzellenzuniversität“ bewerben.

„Aktuell richten wir unser Hauptaugenmerk auf die Unterstützung der Forschungsteams, die nun einen Vollantrag stellen können. In den kommenden Monaten werden wir uns aber innerhalb der Universität selbstverständlich über diese Perspektive beraten“, sagt Jutta Günther.

Weitere Informationen:

https://www.dfg.de/foerderung/foerderinitiativen/exzellenzstrategie/

https://www.uni-bremen.de/humans-on-mars-initiative

Drei Antragsskizzen für die Einrichtung neuer Exzellenzcluster hat die Universität Bremen im Rahmen der Exzellenzstrategie von Bund und Ländern eingereicht. Ein Forschungsteam ist nun von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) aufgefordert worden, einen Vollantrag zu seiner Skizze einzureichen.

Die Skizze aus den Materialwissenschaften gehört zu den 41 von einem Expertengremium ausgewählten Skizzen, die nun aufgefordert sind, bis Ende August 2024 einen Vollantrag einzureichen. Die endgültige Entscheidung über die Bewilligung der Cluster fällt im Mai 2025. Insgesamt waren bundesweit 143 Skizzen eingereicht worden.

Mit der Exzellenzstrategie verfolgen Bund und Länder das Ziel, Spitzenforschung an deutschen Universitäten in besonders wettbewerbsfähigen Forschungsfeldern zu stärken. Gefördert werden Exzellenzcluster: große, international sichtbare Forschungsverbünde, in denen Forschende verschiedener Disziplinen an einem Vorhaben zusammenarbeiten und die zur Profilbildung der jeweiligen Universitäten beitragen. Die Förderung gibt den Forschenden die Möglichkeit, sich intensiv auf ihr Forschungsziel zu konzentrieren, wissenschaftliche Nachwuchskräfte auszubilden und internationale Spitzenkräfte zu rekrutieren. Exzellenzcluster werden für sieben Jahren gefördert. Eine zweite Förderperiode von wiederum sieben Jahren ist möglich.

Erfolg in hochkompetitivem Verfahren

„Die Antragsskizze ‚Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit‘ hat heute eine große Hürde auf dem Weg hin zum Exzellenzcluster genommen. Darüber freue ich mich sehr und bedanke mich bei allen Beteiligten. Es sind bundesweit viele Antragsskizzen eingereicht worden. Der Wettbewerb ist hart. Dass die Forschenden der Universität Bremen diese Hürde genommen haben, zeigt, dass wir hier anerkannte Spitzenforschung haben“, sagt Kathrin Moosdorf, Senatorin für Umwelt, Klima und Wissenschaft der Freien Hansestadt Bremen.

 „Das ist ein großartiger erster Erfolg, der den Stellenwert unserer Forschung im Bereich Materialwissenschaften deutlich macht“, äußert sich Professorin Jutta Günther, Rektorin der Universität Bremen. „Die Forschenden konnten sich in einem hochkompetitiven Verfahren durchsetzen, in dem aufgrund der wenigen Plätze für neue Vollanträge auch sehr gute Forschungsvorhaben bereits ausscheiden mussten. Wir sind stolz auf alle unsere Teams, die sich in den Wettbewerb begeben haben.“ Michal Kucera, Konrektor für Forschung und Transfer, ergänzt: „Unser Dank gilt ausdrücklich allen drei Forschungsteams. Sie haben mit ihren Skizzen hervorragende, innovative Forschungsideen entwickelt, die zur weiteren Profilbildung unserer Universität und zur Stärkung unserer Wissenschaftsschwerpunkte einen wichtigen Beitrag leisten werden.“

Wegweisende Forschung aus den Materialwissenschaften

Die Forschenden waren mit ihrer Clusterskizze „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“ erfolgreich. Sie gehen davon aus, dass in den nächsten Jahrzehnten die Exploration des Mars durch den Menschen stattfindet – mit enormen Auswirkungen auf die Menschheit einerseits und die Umwelt des Mars andererseits. Eine langfristige Forschungsstation erfordert die Produktion von Materialien und Bauteilen vor Ort, aber die Knappheit an Energie, Wasser und Arbeitskraft sowie die extrem dünne CO₂-Atmosphäre stellen große Herausforderungen dar. Zudem ist durch die weite Entfernung zum Mars die Kommunikation mit der Erde nur zeitversetzt möglich. Die Marsperspektive hilft den Forschenden bei der Frage, wie eine nachhaltige Produktion unter diesen Bedingungen gelingen kann. Ziel ist es, ein Paradigma der Nachhaltigkeit zu entwickeln, das auf Ressourcenknappheit ausgerichtet ist: die Marsperspektive. Konkret wird sie von Knappheit in vier Aspekten bestimmt: Ressourcen, Energie, Arbeitskraft und Informationen. Die Forschungsergebnisse werden langfristig neue Denkansätze auf der Erde etablieren und den nachhaltigen Umgang mit knappen Ressourcen gestalten. „Mit der Marsperspektive werden wir die Produktion von Materialien unter der Prämisse von Ressourcenknappheit neu denken. Damit möchten wir nicht nur einen Beitrag für die Erforschung des Mars leisten, sondern auch für die Nachhaltigkeit auf der Erde“, sagt Professor Marc Avila, Leiter des ZARM (Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation) und Sprecher der Clusterinitiative.

MARUM stellt Fortsetzungsantrag

In der anstehenden Vollantragsphase reicht auch das Team vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften einen Antrag ein – es handelt sich dabei um einen Fortsetzungsantrag. Hier ist bereits seit 2019 einer der aktuell 57 bundesweit geförderten Exzellenzcluster angesiedelt. Daher steigt das MARUM erst jetzt zur Vollantragsphase in den laufenden Wettbewerb ein. Den Fortsetzungsantrag für den Exzellenzcluster „Der Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde“ stellen die Forschenden am MARUM dieses Mal als Verbundantrag gemeinsam mit Wissenschaftler:innen der Universität Oldenburg.

Wenn eine Universität mit mindestens zwei Clusteranträgen erfolgreich ist, darf sie sich später auch mit einem gesamtuniversitären Zukunftskonzept in der Förderlinie „Exzellenzuniversität“ bewerben.

„Aktuell richten wir unser Hauptaugenmerk auf die Unterstützung der Forschungsteams, die nun einen Vollantrag stellen können. In den kommenden Monaten werden wir uns aber innerhalb der Universität selbstverständlich über diese Perspektive beraten“, sagt Jutta Günther.

Weitere Informationen:

https://www.dfg.de/foerderung/foerderinitiativen/exzellenzstrategie/

https://www.uni-bremen.de/humans-on-mars-initiative

Kontakt:

Dr. Achim Wiesner
Stabsstelle Strategische Projekte und Exzellenz (SPE)
Universität Bremen
Tel. 0421 218-60015
Email:

Die Identifizierung von Bauteilschäden erscheint auf den ersten Blick simpel. Doch wie verhält es sich, wenn der Schaden geringfügig und verborgen ist? Selbst minimale Defekte können zu einem späteren Zeitpunkt zu einem Totalausfall führen, insbesondere in Verbundmaterialien wie sie beispielsweise in Windenergieanlagen zum Einsatz kommen, wo vermehrt Flügelbrüche auftreten.

Eine Lösung könnte darin bestehen, verborgene Schäden in Materialien mithilfe von KI zu identifizieren und zu bewerten. Dies ist das Forschungsziel interregionalen DFG Forschungsgruppe FOR 3022 in der mit über 3 Millionen Euro finanzierten zweiten Förderperiode. Die Forschungsgruppe, die ihren Ursprung in der zentralwissenschaftlichen Einrichtung ISIS (Integrated Solutions in Sensorial Structure Engineering) der Universität Bremen unter Führung von Dr. Dirk Lehmhus hat, konnte nun Fortschritte in der Überwachung von Faser-Metall-Laminaten mit integrierten Sensoren verzeichnen. Außerdem wurde erste Ergebnisse in renommierten internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht. An dem DFG-Forschungsprojekt FOR 3022 sind Partnerinstitutionen wie die Universität Siegen, die TU Braunschweig und die HSU Hamburg beteiligt.

Ein besonderes Augenmerk der Forschungsarbeit liegt auf der Entwicklung von Messsystemen, die direkt in das Material integriert werden können. Der Teil der Forschungsgruppe aus Bremen besteht aus Privatdozent Dr. Stefan Bosse aus dem Fachbereich Mathematik und Informatik der Universität Bremen, dem Faserinstitut Bremen e.V. unter Leitung von Professor Axel Herrmann und dem Institut für Mikrosensoren, -aktoren und -systeme der der Universität Bremen unter der Leitung von Professor Björn Lüssem. Sie präsentieren erste Prototypen von Sensorknoten, die kleiner als eine Münze sind und in Materialien wie Faser-Metall-Laminaten eingebettet werden können. Diese Sensorknoten haben die Fähigkeit, autonom Informationen über den Zustand eines Bauteils mithilfe von RFID-Technologie weiterzuleiten.

Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Informatik, Mikrosystemtechnik, Elektrotechnik und Messtechnik ist entscheidend für den Erfolg des Projekts. Privatdozent Dr. Stefan Bosse erklärt: „Unsere Forschung unterstreicht die vielversprechenden Möglichkeiten von KI-Methoden. Unser Ziel ist es, zu verstehen, wie wichtige Informationen aus komplexen Daten generiert werden können, um anschließend von Menschen genutzt zu werden, um fundierte Entscheidungen zu treffen.“ Er fügt hinzu: „Vom Labor in die Praxis, damit Technologie den Menschen effektiv unterstützt.“

Weitere Informationen:

http://www.edu-9.de/

www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Priv.-Doz. Dr. Stefan Bosse
Fachbereich Mathematik und Informatik
Universität Bremen
E-Mail: sbosse@uni-bremen.de

Prof. Carsten Heinzel, MAPEX-Mitglied und Betreuer der Dissertation, weist darauf hin, dass Mensching mit ihrer Arbeit Neuland betreten habe. Es sei ihr gelungen, aus konzeptionellen Vorüberlegungen mit wissenschaftlichen Methoden in einem interdisziplinären Team eine neue Versuchsumgebung zu entwickeln und diese für den Erkenntnisgewinn im Bereich der schnellen Materialcharakterisierung einzusetzen.

Der Promotionspreis der Leibniz-Gemeinschaft wird jährlich für die besten Doktorarbeiten aus den Leibniz-Instituten – im Jahr 2022 etwa 900 – in den Kategorien „Geistes- und Sozial­wissenschaften“ und „Natur- und Technikwissenschaften“ vergeben. Die prämierten Arbeiten müssen sich neben einer herausragenden Bewertung durch eine fächerüber­greifende Bedeutung, einen Anwendungsbezug und Publikation in Fachzeitschriften oder Präsentationen auf Fachkonferenzen auszeichnen.

Publikation: Mensching, Nicole: Charakterisierung metallischer Werkstoffe durch partikel-orientiertes Strahlen. Shaker Verlag 2022.

„Verfahren der Magnetresonanz (MR)-Bildgebung stellen in vielfacher Hinsicht aussichtsreiche Analysemöglichkeiten für die Erforschung des materiellen Kulturerbes dar. Im Vergleich zu Techniken wie der Mikroskopie, Endoskopie oder diversen computertomographischen (CT) Methoden ist ihr Einsatzspektrum bisher aber nur rudimentär ausgeschöpft. Ausgehend von der Möglichkeit einer einzigartigen transdisziplinären und regionalen Allianz in der U Bremen Research Alliance zwischen Deutschem Schifffahrtsmuseum (DSM), Fraunhofer MEVIS und dem MAPEX Center for Materials and Processes an der Universität Bremen widmet sich die geplante Konferenz am 7. und 8. Dezember 2023 der Forschungsstandbestimmung zum Themenfeld komplementärer Methoden und Technologien zur Erschließung und Konservierung historischer und archäologischer Objekte.

Gemeinsam mit internationalen Expert:innen aus den Bereichen Archäologie, Kulturerbeforschung, Materialforschung und Physik der Bildgebung sollen die epistemischen Möglichkeiten von MR-Methoden und deren Komplementarität zu bisher geläufigen Verfahren zum Konservierungsmonitoring und zur Kulturerbeforschung diskutiert werden. Der Ausgangspunkt hierzu sind die facettenreichen und seit jeher interdisziplinären Materialforschungen rund um die sogenannte Bremer Kogge als ein Zentralobjekt des DSM. Dabei interessieren sich die Forschenden zunächst primär für neue Erkenntnisse in Bezug auf die sachgerechte Erhaltung materiellen Kulturerbes durch ein innovatives Studium konservatorischer Methoden. Ferner geht es um neue Erkenntnisse in Bezug auf die technische Einsatzfähigkeit von MR-Methoden für diverse Biomaterialien und die Analyse konservatorischer Substanzen. Schlussendlich sollen neue Forschungsfragen durch die Identifikationsmöglichkeit biologischer Materialitäten in kulturellen Artefakten für historische und kulturwissenschaftliche Ansätze entstehen.

Fragen zum Programm beantworten Alexander Reis (A.Reis@dsm.museum) oder Sebastian Vehlken (S.Vehlken@dsm.museum). Interessiertes Fachpublikum ist herzlich eingeladen, an der Tagung teilzunehmen. Anmeldungen nehmen ebenfalls Alexander Reis und Sebastian Vehlken entgegen."

Fachtagung / Donnerstag, 7.12.2023 bis Freitag, 8.12.2023 / Räumlichkeiten der Hochschule Bremerhaven / Teilnahme kostenfrei

Die vier Schüler Jan Hundelt, Nick Kraus, Nick Schröder und Tim Joritz zeigten sich im Gespräch mit dem Weser Kurier insbesondere begeistert von dem modernen Umfeld der Universität und beeindruckt von der hohen Motivation der Doktorand:innen. „Es ist wichtig, dass sich Schüler ausprobieren können. So werden Talente entdeckt,“ erklärte Lucio Colombi Ciacchi. Der Professor am Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen ist wissenschaftlicher Koordinator des MAPEX Gerätezentrums und Direktor des Masterstudiengangs Prozessorientierte Materialforschung (ProMat). Bereits vor Beginn der Pandemie stellte er Kontakt zu mehreren Schulen aus der Region her. „Als Forschungsinstitut bieten wir nicht nur für die Studenten Einblicke in die Forschung, sondern auch für Schüler – wodurch auch Begeisterung erzeugt werden kann“, so Ciacchi. Wenn das Projekt im nächsten Jahr fortgeführt wird, überlegt er, auch Fortbildungen für Lehrer:innen anbieten.

Gruppe 1 der Schüler:innen führte an den beiden Tagen Messungen im Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) durch. Angeleitet wurden diese von drei Wissenschaftler:innen der Initiative Humans on Mars, Paul Große Maestrup, Dr.-Ing. Christiane Heinicke und Dr. Cyprien Verseux. Die Schüler:innen konnten am ersten Tag in einer Astronaut:innensimulation Arbeitsanweisungen im Austausch mit dem Mission Control Room ausführen. Am zweiten Tag ging es im Labor mit Messungen zu bakteriellen Nährstoffmedien und mikroskopischen Untersuchungen weiter.

Gruppe 2 besuchte das Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien (UFT). Gemeinsam mit Prof. Sven Kerzenmacher, Parisa Mahdavi und Prof. Jörg Thöming erfuhren sie, warum Bakterien dort mit Strom gefüttert und wie Abwässer biologisch behandelt werden. Bei den Besuchen der Arbeitsgruppen Umweltverfahrenstechnik und Chemische Verfahrenstechnik konnten sie einen Eindruck davon gewinnen, wie ein universitäres Biolabor aussieht und was darin gemacht wird.

Gruppe 3 widmete sich an den beiden Tagen im Bremen Computational Center for Material Sciences (BCCMS) dem Thema comptergestützte Materialmodellierung. Sie konnten mit drei Wissenschaftler:innen der Hybrid Materials Interfaces Arbeitsgruppe, Pia Götz, Eric Macke und Prof. Lucio Colombi Ciacchi, Röntgenmikroskopie  und Computersimulationen ausprobieren. Mit diesen ließ sich beispielsweise ein Nagel der historischen Bremer Kogge untersuchen.

Die Raumfahrtbehörden wollen Menschen auf den Mars schicken. Aber wie können wir die Astronauten mit Nahrung, Sauerstoff und anderen Verbrauchsgütern versorgen? Ein Teil der Lösung könnte in der Nutzung von Pflanzen und Mikroorganismen aus den natürlichen Ressourcen des Mars liegen. Cyprien Verseux erklärt die Rolle von Cyanobakterien (Blaualgen) in einem solchen System.

Mehr über Science goes Public erfahren Sie hier.

Informationen des Deutschen Schifffahrtsmuseums

Pressemeldung der Universität Bremen

Artikel und Radiobeitrag Buten und Binnen

Videobeitrag Sat1

Auszüge aus der Pressemeldung der Universität Bremen:

Das Deutsche Schifffahrtsmuseum präsentiert die Ausstellung „SEH-STÜCKE – Maritimes digital entdeckt" und zeigt dabei neben den physischen Exponaten erstmals auch deren digitale Abbilder, die mit Hilfe des MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen angefertigt wurden.

Die maritime Geschichte wird in der neuen Ausstellung des Deutschen Schifffahrtsmuseums (DSM)/Leibniz-Instituts für Maritime Geschichte mithilfe des 3D-Röntgenmikroskops des MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen neu inszeniert. Unter dem Titel „SEH-STÜCKE – Maritimes digital entdeckt“ werden nicht nur die physischen Exponate, sondern auch ihre digitalen Abbilder präsentiert. Dazu gehören Dosensextanten, Medizinflaschen und weitere Beifunde der „Bremer-Kogge“ aus der Hansezeit [...].

Professor Lucio Colombi Ciacchi, Projektleiter am MAPEX, freut sich über die Verbindung von Materialwissenschaft und kulturellem Erbe durch die digitale Aufbereitung der Museumsobjekte: „Die Arbeit des MAPEX, das sich auf die Schnittstelle von Materialien und Prozessen spezialisiert hat, eröffnet neue, zuvor nicht wahrnehmbare Materialitäten der Exponate.“

Die digitale Transformation der Exponate ist das Ergebnis des Gemeinschaftsforschungsprojekts „Digital Materialities. Virtual and Analogue Forms of Exhibition“ (DigiMat), bei dem das DSM mit dem MAPEX sowie dem Tübinger Leibniz-Institut für Wissensmedien (IWM) kooperiert. Das Projekt, gefördert durch den Senatsausschuss Wissenschaft der Leibniz-Gemeinschaft, betont die herausragende Bedeutung der Materialforschung für die Vermittlung kulturellen Erbes.

Die Sonderausstellung „SEH-STÜCKE – Maritimes digital entdeckt" ist vom 20. Oktober 2023 bis zum 30. April 2024 in der Kogge-Halle zu erleben.

Der Mars ist derzeit nur spärlich mit wenigen aktiven Rovern besiedelt. Mit den jüngsten Fortschritten bei Trägersystemen wird die Raumfahrt zugänglicher für Forschungseinrichtungen und Privatunternehmen. Zudem werden sinkende Preise für Nutzlasten die Zahl der eingesetzten Roboter erhöhen. Unter den lebensfeindlichen Bedingungen auf dem Mars könnte eine reine Roboterflotte ein erster Schritt zur Erforschung und Besiedlung sein. Obwohl Roboter große Vorteile bieten, wird ein gemischtes Team aus Mensch und Roboter unverzichtbar sein. Eine Schlüsselfrage ist, wo Menschen und wo Roboter gebraucht werden. Wie sollte ein Roboter aussehen und welche Fähigkeiten braucht er? Amrita Suresh und Manuel Meder ließen ihr Publikum die täglichen Aufgaben und Herausforderungen erkunden, denen sich Weltraumroboter stellen müssen.

Erfahren Sie mehr über Science goes Public und das Programm hier.

Von der Tiefsee bis ins Weltall

Das Wissenschaftsmagazin „Impact" wird regelmäßig von der U Bremen Research Alliance herausgegeben. In dieser kooperieren die Universität Bremen und zwölf Institute der bund-länder-finanzierten außeruniversitären Forschung. Sie umfasst Forschungsinstitute der vier großen deutschen Wissenschaftsorganisationen, also Fraunhofer-Gesellschaft, Helmholtz-Gemeinschaft, Leibniz-Gemeinschaft und Max-Planck-Gesellschaft, sowie das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz. Die Zusammenarbeit in der U Bremen Research Alliance erstreckt sich über die vier Wissenschaftsschwerpunkte „Meeres-, Polar- und Klimaforschung“, „Materialwissenschaften und ihre Technologien“, „Gesundheitswissenschaften“ und „Minds, Media, Machines“ und somit buchstäblich „Von der Tiefsee bis ins Weltall“. Der wissenschaftliche Austausch im Schwerpunkt „Materialwissenschaften und ihre Technologien“ findet durch die Zusammenarbeit im MAPEX Center for Materials and Processes statt.

Der Leiter des Bremer Instituts für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ) an der Universität Bremen betritt mit seinem Vorhaben „Smile - Laboratory for sensitive machining of biological materials” Neuland. Er wird an der Universität Bremen ein Labor aufbauen, mit dessen Hilfe die Erfolgsquote von Operationen bei Knochenbrüchen oder auch bei Zahnarztbehandlungen verbessert werden soll. „Eingriffe sollen zuverlässiger gelingen und Chirurg:innen entlastet werden, indem die Technik die ideale Lösung findet“, beschreibt Fischer das Ziel.

Als Messtechniker in der Fertigungstechnik hat es Andreas Fischer häufig mit Materialien zu tun, deren Eigenschaften gut bekannt sind. Bei biologischem Gewebe wie Knochen oder Zähnen ist das anders, denn sie sind inhomogen aufgebaut. Härtegrad und Dichte variieren, sowohl im jeweiligen Gewebe als auch von Mensch zu Mensch. Operateur:innen wissen vor einem Eingriff wenig über den Zustand der Knochen. Der Erfolg einer Operation, bei der etwa gebrochene Knochen per Schrauben zusammengefügt werden, hängt im Wesentlichen von der Erfahrung der Chirurg:innen ab.

Feinfühliges Messsystem für Mediziner:innen

Das will Fischer ändern. „Die Messtechnik kann hier als Assistenzsystem einen wichtigen Beitrag leisten,“, sagt er. „Unser Labor wird kein Operationssaal sein, wir werden die verschiedenen technischen Möglichkeiten adressieren.“ Dazu zählt die Entwicklung eines multisensorischen Messsystems, bestehend aus elektrischen, mechanischen, akustischen, optischen und thermografischen Sensoren sowie einer intelligenten, gemeinsamen Auswertung der Sensorsignale. Das Messsystem soll Mediziner:innen während einer Operation mit Informationen über Härte, Schichtdicken oder Tiefe des Bohrkanals versorgen und über den Behandlungsfortschritt unmittelbar Auskunft geben. „Sie sollen so ein direktes Feedback bekommen“, sagt Fischer.

Doch damit nicht genug: Das System soll feinfühlig sein. „Es soll spüren können, was passiert. Das ist der Schlüssel“, betont Fischer. Bei Entfernung von Karies zum Beispiel sollen die Sensoren nicht nur das geschädigte Material erkennen. Sondern auch dafür sorgen, dass nur so viel wie nötig von dem Zahn abgetragen wird. Andreas Fischer verfolgt dabei einen Ansatz, der neben der Sensordatenfusion auch Methoden des maschinellen Lernens umfasst.

Knochen-Operationen sind nur ein Anwendungsbeispiel für dieses neue Forschungsfeld, das Andreas Fischer mit dem Aufbau des Labors an der Universität Bremen etablieren will. Er will noch einen Schritt weitergehen: „Auch die Materialien der Zukunft sind inhomogen“, sagt der Wissenschaftler. Dabei geht es um komplexe Verbundmaterialien, mit unterschiedlichsten Härten und Schichten. „Das Labor sollen einen Beitrag dazu leisten, wie wir bei der Fertigung mit diesen Materialien umgehen können.“

Auch Studierende profitieren

Die Momentum-Initiative der Volkswagenstiftung schließt eine Förderlücke. Sie ermutigt Wissenschaftler:innen in der frühen Phase ihrer ersten Lebenszeitprofessur neue Forschungsgebiete zu erschließen und schafft kreative Freiräume. „Dass dies möglich ist, dafür bin ich sehr dankbar“, sagt Fischer. Das Vergabeverfahren ist hoch kompetitiv, eine Anschlussförderung über zwei Jahre ist möglich.

Studierende werden vom Labor ebenfalls profitieren. So sollen etwa die Teilnehmenden des jüngst eingerichteten Studiengangs „Maschinenbau und Verfahrenstechnik“ Hand anlegen können. „Wir verbinden Grundlagenforschung mit konkreten Anwendungen für unsere Gesellschaft, das ist für viele Studierende sehr attraktiv“, sagt der 43-Jährige, der 2021 einen mit zwei Millionen Euro dotierten ERC-Grant erhielt, eine der höchstdotierten Auszeichnungen des Europäischen Forschungsrates.

„Smile - Laboratory for sensitive machining of biological materials” hat Fischer mit einem Augenzwinkern sein Vorhaben benannt. „Smile“ deshalb, weil er hofft, etwa mit einer besseren Zahnversorgung ein Lächeln auf den Lippen künftiger Patient:innen erzeugen zu können. Ihm ist der Anwendungsbezug seiner Forschung wichtig, die Messtechnik um den medizinischen Bezug erweitern zu können. Und er möchte seine Begeisterung für technische Lösungen weitertragen, nicht nur an seine Studierenden. „Man kann mit Technik etwas bewegen und unsere Gesellschaft voranbringen. Das zeigen wir hier.“

Text: Rainer Busch

Fragen beantwortet:

Prof. Dr.-Ing Andreas Fischer
Fachbereich Produktionstechnik
Universität Bremen
Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ)
Tel: +49 (0)421 218-64600
E-Mail: andreas.fischer@bimaq.de

Weitere Informationen:

https://www.bimaq.de/ https://www.volkswagenstiftung.de/de/foerderung/foerderangebot/momentum-foerderung-fuer-erstberufene

Universität Bremen
Hochschulkommunikation und -marketing
Telefon: +49 421 218-60150
E-Mail: presse@uni-bremen.de

Über die Universität Bremen:
Leistungsstark, vielfältig, reformbereit und kooperativ – das ist die Universität Bremen. Rund 23.000 Menschen lernen, lehren, forschen und arbeiten auf dem internationalen Campus. Ihr gemeinsames Ziel ist es, einen Beitrag für die Weiterentwicklung der Gesellschaft zu leisten. Mit gut 100 Studiengängen ist das Fächerangebot der Universität breit aufgestellt. Als eine der führenden europäischen Forschungsuniversitäten pflegt sie enge Kooperationen mit Universitäten und Forschungseinrichtungen weltweit. Gemeinsam mit neun jungen Universitäten und vier assoziierten Mitgliedern aus dem Hochschul-, Nichtregierungs- und privaten Bereich gestaltet die Universität Bremen in den nächsten Jahren eine der ersten Europäischen Universitäten. Das Netzwerk YUFE – Young Universities for the Future of Europe wird von der EU-Kommission gefördert. In der Region ist die Universität Bremen Teil der U Bremen Research Alliance. Die Kompetenz und Dynamik der Universität haben zahlreiche Unternehmen in den Technologiepark rund um den Campus gelockt. Dadurch ist ein bundesweit bedeutender Innovations-Standort entstanden – mit der Universität Bremen im Mittelpunkt.

Gemeinsame Pressemitteilung derUniversität Bremen und des Vereins Deutscher Ingenieure e.V.

Mit seiner Masterarbeit zur Fischer-Tropsch-Synthese (FTS) hat der Produktionstechnik-Student Alexander Zimmermann von derUniversität Bremen so sehr überzeugen können, dass er jetzt dafür vom Bremer Bezirksverein des Vereins Deutscher Ingenieure e.V. (VDI) den BremerIngenieurpreis 2022 verliehen bekommen hat. „Der Preisträger unseres diesjährigen Ingenieurpreises hat sich im Rahmen seiner Masterarbeit mit beeindruckenden Ergebnissen um die Verbesserung dieses Verfahrens engagiert“, heißt es in der Begründung für den renommierte Auszeichnung. „Die gegenwärtige Energiekrise und der Mangel an Rohstoffen lässt die Fischer-Tropsch-Synthese mehr denn je interessant erscheinen.“

Die Fischer-Tropsch-Synthese wurde in Deutschland entdeckt und ab 1920 in kurzer Zeit zur technischen Reife entwickelt. Im 21. Jahrhundert erlebt das Verfahren eine Renaissance, weil flüssige Treibstoffe zukünftig auch aus alternativen Rohstoffen wie Erdgas, Kohle oder Biomasse hergestellt werden müssen. 

Für die technische Durchführung der stark exothermen Reaktion haben sich bisher Rohrbündelreaktoren und Blasensäulenreaktoren durchgesetzt. Da beide Reaktortechnologien Nachteile aufweisen, werden neue Reaktorkonzepte untersucht. Festbettreaktoren mit einer Schüttung aus hochporösen Pellets haben zwar das Potential für eine deutliche Prozessintensivierung der FTS, jedoch verhindert meist eine Stofftransportlimitierung, dass dieses tatsächlich ausgenutzt werden kann. Während der Reaktion akkumulieren sich zudem die Reaktionsprodukte in den Poren, sodass der Stoffstrom stark verlangsamt wird. 

Neue Grundlagen für das Verfahren geliefert

Hier hat Alexander Zimmermann in seiner Masterarbeit „Stofftransport von Produktgemischen der FTS-Analyse mittels NMR“ wichtige neue Grundlagen für dieses Verfahren geliefert.

Ziel dieser Arbeit war es, den Zusammenhang zwischen Porenstruktur und Stofftransportverhalten der Reaktionsprodukte zu verstehen und so die Auswahl der optimalen Struktur der eingesetzten Pellets für einen möglichst durchsatzstarken Reaktorbetrieb zu ermöglichen. Dabei untersuchte Alexander Zimmermann spezielle Pellets, die durch hierarchisch verzweigte Porenstrukturen einen schnellen Stofftransport und einen verbesserten Reaktionsprozess unterstützen.

Dazu hat er innerhalb seiner Masterarbeit zahlreiche Versuche mittels Nuclear Magnetic Resonance (NMR) – ähnlich dem bildgebenden MRT aus der Medizin – unternommen, um den Stofftransport in den zur Katalyse eingesetzten Pellets zu bewerten. Die Besonderheit war dabei, das Verhalten einer Mischung der Reaktionsprodukte in den Poren der eingesetzten Pellets zu charakterisieren. Hierbei zeigte sich, dass sich die spezielle hierarchische Porenstruktur besonders vorteilhaft auf den Stofftransport solcher Mischungen auswirken.

Wirtschaftlichkeit kann erheblich gesteigert werden

Aus dieser neuen Perspektive gelang es, neue potenzielle Vorteile dieser Porenstruktur für den Stofftransport der FTS aufzuzeigen. Damit kann die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens erheblich gesteigert werden. Durch die industrielle Anwendung dieser neuen Erkenntnisse lässt sich die Intensität und auch die Menge der so gewonnen chemischen Grundstoffe erheblich verbessern. „Die Arbeit von Alexander Zimmermann macht deutlich, dass wir auf dem Wege der Klimaverbesserung noch erhebliches Entwicklungspotenzial nutzen können“, so das Fazit des VDI.

Betreut wurde die Arbeit von Professor Jorg Thöming (Fachbereich Produktionstechnik), der seinen Studenten auch für den Preis vorschlug. „Ander Masterarbeit von Alexander Zimmermann hat mich begeistert, wie tief er die für die Lösung der sehr herausfordernden Aufgabe nötige anspruchsvolle physikalische Theorie in kurzer Zeit durchdrungen hat. So gut durchdrungen, dass er für Messungen mittels Pulsgradienten einen ausgetüftelten Versuchsplan entwickeln konnte. Diese Art Messungen waren für uns im Fachgebiet neu.“

Wie gut Zimmermann die für ihn neue Theorie verstanden habe, zeige dann auch seine klare und durchdachte Analyse der Messdaten. „Seine Ergebnisse konnte er anschließend in vorbildlicher Weise zur Lösung der verfahrenstechnischen Aufgabenstellung nutzen. Sie bestand darin herauszufinden, wie die Poren in Katalysatoren strukturiert sein müssen, um auch einen zweiphasigen Stofftransport bestmöglich zu erlauben. Durch seine Ergebnisse rückt das Ziel kostengünstigerer synthetischer Kraftstoffe in greifbare Nähe“, so Jorg Thöming.

ACHTUNG REDAKTIONEN: Zur feierlichen Preisverleihung des BremerIngenieurpreises 2022 am 24. November (18.00 Uhr) im Ecomat Bremen (Raum Ecoteria, Cornelius-Edzard-Str. 15, 28199 Bremen) sind Sie herzlich eingeladen. Für Gespräche steht Alexander Zimmermann sowohl bei diesem Event als auch im Vorfeld der Preisverleihung (telefonisch oder online) zur Verfügung.

Fragen beantwortet:

Walter Müller
Pressesprecher im VDI Verein Deutscher Ingenieure e.V.
Bremer Bezirksverein
Tel. 07000 100 1038
Mobil 0172/4247155
E-Mail: walter.mueller@vdi-bremen.org

Link zur Pressemitteilung: https://www.uni-bremen.de/universitaet/hochschulkommunikation-und-marketing/aktuelle-meldungen/detailansicht/bremer-ingenieurpreis-geht-an-master-studenten-der-universitaet

Die Grundidee des maschinellen Lernens ist einfach: Durch Trainieren „erlernt“ ein komplexes System, Verhalten auch jenseits der Trainingsdaten vorherzusagen, ohne die zu Grunde liegenden Gesetzmäßigkeiten dafür kennen zu müssen. Oft verschlingt das Training dabei viel Computerleistung, denn es werden tausende von Parametern genau optimiert, um brauchbare Vorhersagen treffen zu können.

Eine Alternative können physikalische Systeme mit ausreichender Komplexität darstellen, die selbst als künstliches neuronales Netzwerk fungieren, also in ihrer Funktionsweise vom menschlichen Gehirn inspiriert sind. So wie Informationen über den Sehnerv in das Gehirn gelangen, werden Informationen in das künstliche neuronale Netz gespeist und regen dort komplexe Schwingungen an. Durch den Trainingsprozess lernt das System, diese Schwingungen zu interpretieren, wie auch das Gehirn aus den eingehenden Daten unsere Wahrnehmung von Bildern erzeugt.

Ein anschauliches Beispiel für solch ein künstliches Netzwerk ist eine gefaltete Origami-Struktur, die durch ein Eingangssignal zu Schwingungen angeregt wird. Verfolgt man die Bewegung einzelner ausgewählter Falten des Origamis in der Zeit, so kann diese dazu genutzt werden, Rückschlüsse über Eigenschaften des Eingangssignals zu ermöglichen. Diese Art von maschinellem Lernen bezeichnet man als Reservoir-Computing.

Arbeitsgruppe überträgt Konzept auf allerkleinste Größenskalen

In der Arbeitsgruppe Quantenoptik von Halbleiter-Nanostrukturen für Anwendungen in den Quanteninformationstechnologien, geleitet von Professor Christopher Gies am Institut für Theoretische Physik der Universität Bremen, wird dieses Konzept nun auf die allerkleinsten Größenskalen übertragen, in denen die Gesetze der Quantenmechanik zu Tage treten. In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der französischen Agence nationale de la recherche (ANR) co-geförderten Kooperationsprojekt PhotonicQRC wird an der Universität Bremen, der TU Berlin, dem Laboratoire Kastler Brossel/ENS in Paris und dem Centre national de la recherche scientifique (CNRS)/FEMTO-ST erforscht, inwieweit die Quantenmechanik Vorteile für maschinelles Lernen in sich trägt und wie diese nutzbar gemacht werden können.

„Verschränkung“ spielt hierbei eine zentrale Rolle. Dieser Begriff bezeichnet einen Zustand in einem komplexen Quantensystem, der mehr ist als das Produkt seiner einzelnen Bestandteile. „Das ist ein Konzept, dass die klassische Physik nicht kennt und auf dem die Überlegenheit neuer Quantentechnologien und auch der Quantencomputer basieren soll“, erläutert Christopher Gies. „Ein verschränktes Quantensystem nutzt exponentiell viele interne Freiheitsgerade, weshalb bereits kleine Quantennetzwerke, beispielsweise mit nur fünf Quanten- oder ‚Qubits‘, komplexe Aufgaben lösen können.“ Das Fördervolumen des Projektes beträgt rund 1 Million Euro, wovon 215.000 € an die Universität Bremen gehen.

Atomar dünne Halbleiter als neue Quelle einzelner Photonen

Um Quanten-Reservoir-Computer tatsächlich zu realisieren, kommen einzelne Lichtquanten zum Einsatz – die sogenannten Photonen. Sie dienen in den Quanteninformationstechnologien als Informationsträger, die diese mit Lichtgeschwindigkeit übertragen können. In dem europaweiten Forschungsprojekt EQUAISE sollen atomar dünne Halbleiter als neue Quelle einzelner Photonen etabliert werden. Diese könnten dann genutzt werden, um quantenmechanisch kodierte Information in einen Quanten-Reservoir-Computer einzuspeisen. Dazu arbeitet die Universität Bremen eng mit Forschern an der Universität Oldenburg, der Firma Nanoplus sowie mit Kooperationspartnern an Universitäten in Italien, Spanien und Polen zusammen. Das Projekt wird über das QuantERA Programm mit ca. 2 Millionen Euro gefördert, davon gehen rund 330.000 € an die Universität Bremen.

Weitere Information zu den Projekten:

www.itp.uni-bremen.de/ag-gies/project-based-research-and-external-funding/

Information zu atomar dünnen Quantenmaterialien im Science-Blog der Universität in drei Teilen:

•    https://blogs.uni-bremen.de/scienceblog/en/2021/01/26/graphene-as-thin-as-nature-allows/
•    https://blogs.uni-bremen.de/scienceblog/2021/04/24/materialien-nach-geschmack-aus-einem-baukasten-in-2d/
•    https://blogs.uni-bremen.de/scienceblog/2021/08/14/den-richtigen-dreh-raus-neueste-2d-materialien-gleich-dreimal-in-bremen/

Video-Demonstration des genannten Miura-ori Origami Reservoir-Computers:

www.nature.com/articles/s41598-021-92257-1#Sec24

Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Christopher Gies
Institut für Theoretische Physik (ITP)
Universität Bremen
Tel.: +49 421 218-62052
E-Mail: gies@uni-bremen.de

Link zur Pressemitteilung: https://www.uni-bremen.de/universitaet/hochschulkommunikation-und-marketing/aktuelle-meldungen/detailansicht/mehr-als-500000-eur-fuer-ki-forschung-mit-quantensystemen

Die Paneldiskussion fand im Universum Bremen anlässlich der Jahrestagung der Deutschen Astrobiologischen Gesellschaft (DAbG) statt. Hier sind mehr als 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler organisiert, die sich mit astrobiologischer Forschung oder verwandten Disziplinen beschäftigen.

Das Projekt „#MOIN!- MOdellregion INdustriemathematik“ der Universität Bremen und seine Partner:innen verfolgt daher die Vision, dass jeder und jede von dem universellen Wissen der (Industrie)-Mathematik profitieren kann. Ziel des Projekts ist es, Gesellschaft und Wirtschaft für die großen Potentiale der Industriemathematik zu sensibilisieren.

„Unser Alltag sähe ohne Mathematik ganz anders aus“, erläutert Christof Büskens. „Es gäbe zum Beispiel keine Arbeiten zum autonomen Fahren, wir hätten keine Computertomographie und wir müssten auf digitale Routenplanung und optimiertes Energiemanagement verzichten. Nur durch den Einsatz neuer mathematischer Methoden und dank der Mitarbeit von Industriemathematiker:innen  gelingen all diese – und viele weitere technische Innovationen“, sagt der Industriemathematiker.

„Ich freue mich sehr, dass wir mit diesem großen Transferprojekt die Mathematik in die Gesellschaft, Schulen und Wirtschaft tragen“, sagt die Rektorin der Universität Bremen Professorin Jutta Günther. „Das Team um Christoph Büskens hat das BMBF mit innovativen und experimentellen Ansätzen des Transfers überzeugt. Das ist ein großer Erfolg für das Team, die Universität und Bremen.“
„Mit der Innovationsstrategie Land Bremen 2030 haben wir uns 2021 auf den Weg gemacht, die Schlüsseltechnologien besonders zu fördern. Dabei bildet die Industriemathematik eine unerlässliche Grundlage für viele Technologien, beispielweise für den 3D-Druck, Robotik oder KI“, sagt Kristina Vogt, Senatorin für Wirtschaft, Arbeit und Europa. „Die Innovationsabteilung des Wirtschaftsressorts wird die Schnittstelle zu den Clustern und Netzwerken bilden und dafür auch das Innovationszentrum Digital Hub Industry nutzen. Unser Ziel ist dabei unter anderen auch, mehr Frauen und Mädchen für die Mathematik zu begeistern.“

Um die Gesellschaft und Wirtschaft für dieses Thema stärker zu sensibilisieren, verfolgt #MOIN! einen ganzheitlichen Transferansatz und fokussiert sich dabei auf vier Bereiche:

1.    Industriemathematik als Innovationstreiber in der Industrie #MATHWARE
2.    Industriemathematik auf dem Weg ins Unternehmertum #MATHUP
3.    Industriemathematik in der Schule #MATHDAYS
4.    Industriemathematik in der Öffentlichkeit #MATHINSIDE

In den nächsten Jahren soll es zum Beispiel für die Öffentlichkeit, in Schulen, in Wirtschafts- und Industrieunternehmen entsprechende Projekte geben. Startend in Bremen, Bremerhaven und dem Landkreis Osterholz wird die Modellregion Industriemathematik später auf weitere Landkreise und Städte erweitert.

Die Partner:innen

Das Projekt #MOIN! umfasst eine Vielzahl an Partner:innen, die in den nächsten Monaten noch weiter wachsen werden. Zum Start des Projekt sind beteiligt:
•    Zentrum für Industriemathematik (Projektleitung) und AG Mathematikdidaktische Unterrichtsforschung der Universität Bremen
•    Senatorin für Wirtschaft, Arbeit und Europa der Freien Hansestadt Bremen
•    Bremerhavener Gesellschaft für Investitionsförderung und Stadtentwicklung (BIS)
•    Landkreis Osterholz
•    TOPAS Industriemathematik Innovation gGmbH
•    Fraunhofer MEVIS
•    AVIASPACE e.V.
•    Maritimes Cluster Norddeutschland e.V.
•    Automotive Nordwest e.V.
•    Branchennetzwerk für Windenergie
Hinzu kommen zahlreiche Industriebetriebe aus Bremen und umzu.

Informationen zum BMBF-Förderprogramm „T!Raum“

Das Projekt #MOIN! wird im Rahmen des BMBF-Förderprogramms "T!Raum" – TransferRäume für die Zukunft von Regionen“ in den ersten drei Jahren mit knapp 6 Millionen Euro gefördert. Es kann insgesamt zweimal verlängert werden. Das BMBF-Förderprogramm ermöglicht Hochschulen und Forschungseinrichtungen die Entwicklung neuartiger Transferinstrumente. Dadurch sollen Innovationen schneller in die Region gelangen und ein Strukturwandel dadurch gestärkt werden.

Weitere Informationen:

Sehen Sie ein kurzes Video über das Projekt: https://youtu.be/HmpNGgyJb5o
https://www.innovation-strukturwandel.de/strukturwandel/de/innovation-strukturwandel/t_raum/t_raum_node.html

www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Christof Büskens (Projektleiter #MOIN!)
Zentrum für Industriemathematik (früher Zentrum für Technomathematik)
Fachbereich Mathematik/Informatik
Universität Bremen
Telefon: +49 421 218-63861
E-Mail: 

Das Projekt „#MOIN! – Modellregion Industriemathematik“ entwickelt neuartige Transferinstrumente im BMBF-Förderprogramm T!Raum – TransferRäume für die Zukunft von Regionen“. Die Menschen auf dem Bild stehen mit vielen anderen Partner:innen dahinter (von links): Hans Georg Tschupke Abteilungsleiter Innovation, Industrie, Digitalisierung bei Senatorin für Wirtschaft, Arbeit und Europa, Rektorin Jutta Günther der Universität Bremen, Mathematikdidaktikerin Christine Knipping der Universität Bremen, CEO Mitja Echim der TOPAS Industriemathematik gGmbH und Projektleiter Professor Christof Büskens der Universität Bremen.

Im Rahmen des Forschungsprojektes „Digital Materialities – Virtual and Analogue Forms of Exhibition” untersucht das MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen spannende Objekte des Schifffahrtsmuseums mit Hilfe von Mikro-Computertomographie. Die Aufnahmen dieser Objekte sollen nun zunächst einer kleinen Gruppe von interessierten Teilnehmenden des bevorstehenden Hackathons zugänglich gemacht werden. Aus den durch das MAPEX Center erstellten Mikro-CT-Aufnahmen von Chronometer, Barometer und Taschensextant werden bereits im Vorfeld Oberflächenmodelle generiert, die dann im Rahmen des Hackathons von den Teilnehmenden mittels Open-Source-Software animiert und interaktiv bedienbar gemacht werden sollen.

Einblicke in den spannenden Digitalisierungsprozess

Im lockeren Umfeld werden die Teilnehmenden nicht nur Interessantes über die jahrhundertealten Objekte erfahren, sondern auch einen Einblick in den spannenden Digitalisierungsprozess erhalten. Ziel des Hackathons ist es, die Funktionsweise der historischen Geräte virtuell ansprechend darzustellen. Außerdem sollen mithilfe innovativer Programmierungen Möglichkeiten aufgezeigt werden, wie diese faszinierenden Objekte und die charakteristischen Materialien, aus denen sie bestehen, in digitalen Ausstellungen und in Digitalanwendungen für reale Ausstellungen vermittelt werden können. So sollen in Zukunft die hinter Glas verschlossenen Museumsobjekte für die Besuchenden erlebbarer gemacht werden.

Die Teilnahme und Verpflegung am zweitägigen Workshop ist kostenlos. Eingeladen sind nicht nur Studierende aus dem Bremer Umland, sondern alle Interessierten, denen Unity oder Blender kein Fremdwort ist.

Gefördert wird das Projekt aus dem Research Hub „Evidenzregime” im Forschungsverbund „Wert der Vergangenheit“. Das Lab 1.2 Materialität – Medialität setzt sich zur Thematik „Digitale Materialität“ mit der Frage nach digitalen Kopien realer Objekte und den daraus gewonnenen Erkenntnissen auseinander. Ein Schwerpunkt ist dabei die Einbindung realer Exponate und ihrer digitalen Kopien in Ausstellungen – vor allem in den Leibniz-Forschungsmuseen, zu denen auch das Deutschen Schifffahrtsmuseum / Leibniz Institut für Maritime Geschichte gehört.

Weitere Informationen:

https://3d.dsm.museum/seamansgear
www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Pia Götz
MAPEX Center for Materials and Processes
Universität Bremen
Tel.: +49 421 218-64575
E-Mail: piagoetz@uni-bremen.de
 

Beim INNOspace-Masters-Wettbewerb werden von verschiedenen Organisationen und Firmen insgesamt fünf Challenges ausgeschrieben – die vom DLR (Deutsches Zentrum für Lufts- und Raumfahrt) gewann jetzt das Bremer Team, bestehend aus Dipl.-Ing. Christian Eigenbrod und M.Sc. Florian Meyer vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM), Professor Lutz Mädler vom Institut für Werkstofftechnik (IWT) der Universität Bremen und Dr. Nicolae Bársan vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen. Es wurde nun bei der Preisverleihung in Berlin dafür ausgezeichnet. Verbunden mit dem Sieg ist auch eine finanzielle Förderung des Projekts. „Insgesamt waren 153 Vorschläge eingegangen“, so Christian Eigenbrod. „Dass wir bei dieser Konkurrenz auf Platz 1 gelandet sind, macht uns daher sehr stolz.“

Alarm schon bevor es brennt

Im Projekt geht es um die Entwicklung von Brandmelde-Sensorik, die einen Brandherd „erschnüffeln“ soll, schon bevor es zu dessen Entzündung kommt. „Jeder kennt beispielsweise den eigentümlichen Geruch von überhitzter Elektrik oder Elektronik. Ganz ähnlich emittiert jeder Stoff, wenn er überhitzt ist, gasförmige Stoffe, die durch neuartige halbleitende Metall-Oxid Schichten detektiert werden können“, erklärt Christian Eigenbrod. 

Was die Halbleiter dabei detektieren, was kritisch und was unkritisch ist, müssen sie über Machine-Learning-Routinen beigebracht bekommen. Die Schichten ändern ihren Widerstand nicht nur aufgrund spezieller Luft-Inhaltsstoffe, sondern auch aufgrund der allgemein veränderten Atmosphärenzusammensetzung. Dabei spielen nicht nur zusätzlich emittierte Stoffe eine Rolle, sondern auch das, was stattdessen weniger vorhanden ist. Nach entsprechendem Training gibt es kaum einen gasförmigen Stoff, der so nicht detektiert werden kann.

Einen konkreten technischen Aufbau gibt es noch nicht. Sensoren dieser Art werden von der Firma Sensirion AG – einer Ausgründung der ETH Zürich – vertrieben und finden unter anderem in Geräten zur Überwachung der Raumluftqualität Anwendung. Dabei geht es beispielsweise um CO2, CO oder Formaldehyd, welches aus Möbeln ausgasen kann. Aber auch eigene Sensoren können am IWT hergestellt und speziell auf die Anforderungen zur Branddetektion angepasst werden.

Idee kam aus der Raumfahrtforschung

Die Idee zu einem solchen Rauchmelder entstand vor einigen Jahren über ein ESA (European Space Agency)-MAP (Microgravity Application Promotion)-Projekt zusammen mit der Universität Tübingen und der ETH Zürich, um zu versuchen, neuartige Sensoren unter Mikrogravitationsbedingungen herzustellen. Bei der Herstellung werden die Schichten aus einer sehr heißen Spray-Flamme auf einem Substrat abgeschieden. Dabei liefert die Flamme die benötigten hohen Temperaturen. Die Flüssigkeit, die in Form eines brennbaren Sprays in die Flamme gebracht wird, enthält die Ausgangsstoffe für die Halbleiterschicht. 

Das Standard-Verfahren heißt „Flame Spray Pyrolysis“ (FSP). Es zeigte sich, dass die benötigten hohen Temperaturen nur mittels Knallgasflammen (Wasserstoff/Sauerstoff) erzielt werden konnten. Da diese Flammen eine sehr schnelle Ausbreitungsgeschwindigkeit haben, sind sie hochturbulent und der Gravitationseinfluss ist verschwindend gering. Insofern war dieses Projekt nicht erfolgreich im Sinne, neue Materialien in Schwerelosigkeit herstellen zu können.

Erinnerung an frühere Zusammenarbeit führte zum neuen Projekt

Christian Eigenbrod hatte sich an eben diese Sensor-Schichten erinnert, als sich in der aktuellen Forschung zur Feuersicherheit in der astronautischen Raumfahrt zeigte, dass momentan verwendete Rauchmelder ihrer Aufgabe kaum gerecht werden. Dies können sie unter den Gegebenheiten auf der Internationalen Raumstation (ISS) auch prinzipiell nur sehr schlecht, da neben dem Rauch auch alle anderen Arten von feinen Partikeln erfasst werden, was zu häufigen Fehlalarmen führt. Auch wurde klar, dass klassische Rauchmelder auf einer Mondstation bei allgegenwärtigem feinstem Regolith-Staub kaum eine Chance auf zuverlässige Funktion haben. Darüber hinaus alarmieren Rauchmelder grundsätzlich erst dann, wenn es im Prinzip schon zu spät ist. 

Also wurde der Kontakt nach Tübingen wieder aufgegriffen und nachgefragt, ob die Halbleitersensoren in der Lage sein könnten, Ausgasungen zu detektieren, die aus überhitzten Kunststoffen vielleicht schon vor deren Entzündung stammen. Diese Frage wurde ohne Einschränkungen bejaht, und die Idee eines neuartigen Brandmelders war somit geboren.

Durch den Erfolg beim INNOspaceMasters wird die Umsetzung der Idee nun in einem Entwicklungsprojekt untersucht. Dazu werden Förderungen bis zu 400.000 € bereitgestellt. Nach einer erfolgreichen ersten Projektphase könnte ein erster Prototyp des Systems entwickelt werden, der beispielsweise auf der ISS getestet werden könnte.

Fragen beantwortet:

Christian Eigenbrod
Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
Universität Bremen
Telefon +49 421 218-57780
E-Mail: christian.eigenbrod@zarm.uni-bremen.de

The focus of the initiative is not on technological feasibility – such as designing a suitable spacecraft for the long flight. It is rather on people and the complex challenges they are likely to face on the surface of Mars, as well as potential consequences: humans on Mars will change the pristine environment of the red planet, and they will affect how we treat our home planet Earth.

The event was opened with a welcome address by Dr. Claudia Schilling, Senator for Science and Ports of the Free Hanseatic City of Bremen, and Professor Bernd Scholz-Reiter, President of the University of Bremen.

Dabei geht es nicht um die technologische Machbarkeit – etwa die Konstruktion eines geeigneten Raumfahrzeugs für den langen Flug dorthin. Im Mittelpunkt stehen vielmehr der Mensch und die komplexen Herausforderungen, denen er sich vor Ort stellen muss. Zentral ist ebenso die Frage, welche Auswirkungen daraus resultieren – für die unberührte Umgebung des Mars und nicht zuletzt für unseren Umgang mit der Erde.

Der Stellenwert der Initiative:

„Die aktuellen Bestrebungen weltweit zielen unaufhaltbar darauf ab, Menschen in absehbarer Zukunft zum Mars zu fliegen. Wir wollen mit unserer Forschung Wege aufzeigen, wie eine dauerhafte Präsenz des Menschen auf dem Mars einen langfristigen Nutzen für die Menschheit erbringen und zugleich mit Umsicht und Rücksicht auf den roten Planeten erfolgen kann“, erklärt Professor Marc Avila, Sprecher der Initiative „Humans on Mars“ und Direktor des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen.

Die Bremer Initiative unterscheidet sich von den primären Zielsetzungen der Raumfahrtagenturen und Privatunternehmen, die ebenfalls an der Umsetzung von Marsmissionen arbeiten. Häufig liegt dort der Fokus allein auf der Technologie und dem Überleben der Astronautinnen und Astronauten auf dem Mars – was einen immensen Eingriff in die Umwelt des Planeten bedeutet. „Unerlässlich ist für uns daher der interdisziplinäre Forschungsansatz, den wir für ,Humans on Mars‘ verfolgen. Nur so können radikal neue Lösungen für die extremen Anforderungen an das Leben und Überleben auf dem Mars entwickelt werden“, erläutert Avila. „Ziel ist es, das derzeitige Paradigma der Produktivität durch eines der Nachhaltigkeit zu ersetzen“.

Die zentrale Forschungsfragen der Initiative:

Konkret werden sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit folgenden Fragen beschäftigen: Wie können menschliche Siedlungen unter den extremen, ja sogar lebensfeindlichen Umweltbedingungen auf dem Mars autonom werden und sich autark versorgen? Wie können neue Prozesse aussehen, die auf die extreme Energie- und Ressourcenknappheit auf dem Mars ausgerichtet sind? Kann womöglich die gefährliche Weltraumstrahlung zur Energiegewinnung genutzt werden? Wie gestaltet sich die Neubildung einer Mikrogesellschaft mit künstlich intelligenten Systemen und Maschinen in ihrer Mitte und wie entwickelt sich langfristig ihr Verhältnis zu den Menschen auf der Erde? 

Besonderes Augenmerk gilt dem „Umweltschutz“: Welche Kompromisse sind möglich zwischen der Besiedlung und dem Eingreifen des Menschen auf der einen Seite und der Unversehrtheit der neuen Umgebung und Marsatmosphäre auf der anderen Seite? Und nicht zuletzt: Können wir die Erkenntnisse aus dem verantwortungsvolleren Umgang mit Ressourcen, die auf dem Mars noch knapper sind als auf der Erde, auch auf unseren Planeten übertragen – also vom Mars für die Erde lernen?

Über die Initiative: 

Das Land Bremen fördert die Initiative. Der Anstoß und die Federführung zu „Humans on Mars“ kommt aus dem Wissenschaftsschwerpunkt MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen. Etwa 60 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus acht Fachbereichen der Universität Bremen sind daran beteiligt. Eng eingebunden sind außeruniversitäre Forschungsinstitute der U Bremen Research Alliance wie das DLR-Institut für Raumfahrtsysteme, das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, das Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien IWT und das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI). 

Zur Auftaktveranstaltung:

Zur Auftaktveranstaltung am 8. Juli 2022 im Haus der Wissenschaft in Bremen werden alle beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erwartet, die ihre jeweiligen Teilprojekte im Rahmen der Initiative „Humans on Mars“ vorstellen. Eröffnet wird die Veranstaltung unter anderem mit einem Grußwort von Dr. Claudia Schilling, Senatorin für Wissenschaft und Häfen der Freien Hansestadt Bremen, sowie Professor Bernd Scholz-Reiter, Rektor der Universität Bremen.

Weitere Informationen:

https://uni-bremen.de/humans-on-mars-initiative
www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Vanessa Röttger
Universität Bremen
MAPEX Center for Materials and Processes
Telefon: +49 421 218-64952
E-Mail: 

Andreas Fischer schloss als Stipendiat der Studienstiftung des deutschen Volkes sein Studium der Elektrotechnik an der Technischen Universität Dresden mit Auszeichnung ab. Für seine 2009 erfolgte Promotion an der TU Dresden erhielt er verschiedene Auszeichnungen. Nach einer Habilitation im Fach Messtechnik sowie vertieften Forschungskooperationen unter anderem mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) sowie einer hochschuldidaktischen Weiterbildung nahm Andreas Fischer 2016 einen Ruf an die Universität Bremen an. Seitdem leitet er das Fachgebiet und das Bremer Institut Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ) im Fachbereich Produktionstechnik – Maschinenbau und Verfahrenstechnik. Hier forscht er an der Überwindung aktueller Grenzen der Messbarkeit in Theorie und im Hinblick auf konkrete Anwendungen. Beispielsweise wird an der Nutzbarmachung und Erweiterung der Methode der thermographischen Strömungsvisualisierung gearbeitet, um die Effizienz und Zuverlässigkeit von Windenergieanlagen zu steigern. Zudem beschäftigt er sich mit optischen Messverfahren zur schnellen und präzisen Erfassung von Formen, Verformungen und Oberflächen, um Fertigungsprozesse effizienter und nachhaltiger zu gestalten.

Fragen beantworten:

Prof. Dr.-Ing Andreas Fischer
Fachbereich Produktionstechnik, Universität Bremen
Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ)
Tel: +49 (0)421 218-64600
E-Mail: andreas.fischer@bimaq.de

Link zur Pressemitteilung: https://www.uni-bremen.de/universitaet/hochschulkommunikation-und-marketing/aktuelle-meldungen/detailansicht/forschungsstarke-universitaet-erhaelt-zwei-erc-grants

„Leider sind die bereits etablierten Energiespeichertechnologien - wie die weit verbreiteten Lithium-Ionen-Batterien - aufgrund der sehr strengen Vorgaben des stationären Energiespeichermarktes in Bezug auf Umweltfreundlichkeit, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit suboptimal“, sagt Professor Fabio La Mantia, Leiter des Fachgebiets „Energiespeicher- und Energiewandlersysteme“ der Universität Bremen. Er forscht mit seinem Team deshalb in eine andere Richtung: „Es gibt eine aufstrebende grüne Energiespeicherungstechnologie, die auf reichlich vorhandenem und günstigem metallischem Zink basiert. Wässrige Zink-Ionen Batterien könnten die aktuellen Probleme lösen!“

Wasserbasierte Technologie eliminiert Gefahren

Weil diese Technologie auf Wasser basiert, wird jegliche Explosions- oder Brandgefahr eliminiert. Darüber hinaus – das lässt schon der Name vermuten – bestehen Zink-Ionen Batterien hauptsächlich aus metallischem Zink und anderen meist günstigen und ungiftigen Materialien. Dadurch wird nicht nur der finale Preis von grüner Energie reduziert, sondern zugleich auch das Risiko von Umweltverschmutzung vermindert.

Trotz der guten Voraussetzungen ist die wässrige Zink-Ionen-Batterietechnologie aber momentan noch weit entfernt von groß angelegter Kommerzialisierung. Die Forschenden an der Universität Bremen fokussieren sich darauf, die Herausforderungen zu überwinden, um wässrige Zink-Ionen Batterien marktreif zu machen. Die Forschungsgruppe von Fabio La Mantia konzentriert sich dabei auf die Entwicklung von neuartigen zinkbasierten Anoden. Sie sollen die Stabilität und Lebensdauer von Zink-Ionen-Batterien verbessern. Zudem arbeitet die Gruppe an der Entwicklung von günstigen umweltfreundlichen Kathodenmaterialien sowie der Optimierung von wasserbasierten Elektrolyten.

Im renommierten Wissenschaftsmagazin Nature Communications haben Professor La Mantia und sein Team jetzt die wichtigen Herausforderungen beschrieben, mit denen die Wissenschaftsgemeinschaft bald konfrontiert sein wird, um diese neuartige Batterietechnologie voranzubringen. Zusätzlich haben sie Richtlinien für eine gute experimentelle Praxis entwickelt, damit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt ihre Forschungsbemühungen an die industriellen Standards und Bedürfnisse anpassen können. Fabio La Mantia: „Ziel ist es, die Vermarktung dieser vielversprechenden umweltfreundlichen Batterietechnologie zu beschleunigen.“

Über die Forschungsgruppe

Die Forschungsgruppe „Energiespeicher- und Energiewandlersysteme“ wurde im Juli 2015 im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen in Kooperation mit dem Fraunhofer IFAM ins Leben gerufen. Sie setzt sich aus einer Gruppe junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusammen, die sich insbesondere mit der elektrochemischen Umwandlung von chemischer in elektrische Energie befasst und effiziente Methoden zur Energiespeicherung entwickelt. Die Arbeitsgruppe behandelt eine Vielzahl verschiedener Themen im Bereich der experimentellen Elektrochemie, wobei die Versuche durch physikalische Modellierungen unterstützt werden.

Förderung

Die Erforschung von wässrigen Zink-Ionen Batterien in der Forschungsgruppe von Professor La Mantia wird von dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) durch das Projekt „ZIB“ (FKZ 03XP0204A) gefördert.

Link zur Originalpublikation:

Giorgia Zampardi, Fabio La Mantia: “Open challenges and good experimental practices in the research field of aqueous Zn-ion batteries”, Nature Communications, 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-28381-x, https://www.nature.com/articles/s41467-022-28381-x

Weitere Informationen:

www.esecs.uni-bremen.de
www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Prof. Fabio La Mantia
Leiter der Forschungsgruppe Energiespeicher- und Energiewandlersysteme an der Universität Bremen
Direktor des Instituts für fortgeschrittene Energiesysteme
Leiter der Simulation und Modellierung am Fraunhofer IFAM
Tel: +49 (0)421 2246-7331
E-Mail: lamantia@uni-bremen.de

Link zur Pressemitteilung: https://www.uni-bremen.de/universitaet/hochschulkommunikation-und-marketing/aktuelle-meldungen/detailansicht/auf-dem-weg-zur-naechsten-energiespeicher-generation

MAPEX Research Highlight: https://www.uni-bremen.de/mapex/forschung/research-highlights/mapex-research-highlights/open-challenges-and-good-experimental-practices-in-the-research-field-of-aqueous-zn-ion-batteries

Dr.-Ing. Hendrik Naatz vom Fachbereich Produktionstechnik erhält den Bremer Studienpreis für seine Dissertation „Energy Levels and Dissolution: Two Predictors of Metal Oxide Nano-Bio Interactions”. In seiner Arbeit widmet er sich Vorhersagen über die Auswirkung synthetischer Nanomaterialien auf die Umwelt. Genauer untersucht er deren Toxizität. In der Nanomedizin kann diese Toxizität gezielt eingesetzt werden, um Krebszellen anzugreifen. Ein Ansatz mit Nanopartikeln ist auch dort erfolgsversprechend, wo konventionelle Chemotherapie versagt. Betreut wurde die Dissertation von MAPEX-Mitglied Prof. Dr.-Ing. Lutz Mädler.

Dr. Markus Rohdenburg vom Fachbereich Biologie/Chemie wird mit dem Sonderpreis der Firma Bruker Daltonics GmbH & Co. KG ausgezeichnet. Er erhält ihn für seine Dissertation „Neuartige Aufreinigungsverfahren für die Elektronenstrahl-induzierte Abscheidung (FEBID)“. Seine Arbeit widmet sich einem hochaktuellen Verfahren der Nanotechnologie. Da FEBID nicht ohne die passende Chemie funktioniert, hat Markus Rohdenburg deren Grundlagen und Verbesserung in seiner Arbeit untersucht. Promoviert hat er bei MAPEX-Mitglied Prof. Dr. Petra Swiderek.

Der Bremer Studienpreis. Die „unifreunde“, die Gesellschaft der Freunde der Universität Bremen und der Jacobs University verleihen den Bremer Studienpreis jährlich für herausragende Abschlussarbeiten. Dieses Jahr werden bei der Preisverleihung am 1. März 2022 im Bremer Rathaus insgesamt drei Dissertationen und zwei Masterarbeiten der Universität in den Kategorien Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie Geistes- und Sozialwissenschaften ausgezeichnet. Die Preise im Bereich Natur- und Ingenieurwissenschaften gehen alle drei an Abschlussarbeiten, die von MAPEX-Mitgliedern betreut wurden.

Weitere Informationen

Preisträger und ProMat-Absolvent Eric Macke im Porträt

Mehr zur Arbeit von Preisträger Dr.-Ing. Hendrik Naatz am Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien

Mehr zur Arbeit von Preisträger Markus Rohdenburg im Fachbereich Biologie/Chemie der Universität Bremen

Pressemitteilung der Universität Bremen zum Bremer Studienpreis

Dazu zählte die Mars-Crew mit den sechs analogen Astronautinnen und Astronauten im Habitat in der Negev-Wüste. Dies sind speziell ausgebildete Raumanzugtestende, die eine mehrmonatige Grundausbildung durchlaufen. Eingesetzt werden sie bei technischen Tests und Mars-Simulationen. Weitere Teams der Mission waren das Mission-Support-Center in Innsbruck – es fungiert als Kontrollzentrum auf der Erde – sowie das On-Site-Support-Team in Israel. Dieses stellt die für die Marsmission notwendige Infrastruktur vor Ort her, hat aber keinen direkten Kontakt zu den Analog-Astronautinnen und -Astronauten.

Zwei Experimentbereiche bei INTERTEAM

„INTERTEAM ist in zwei Experimentbereiche aufgeteilt“, erläutert Vera Hagemann die Struktur. Das erste Experiment untersucht die Prozesse und Konstrukte innerhalb der einzelnen Teams. „Die sechs Astronautinnen und Astronauten sowie jeweils sechs Teilnehmende aus dem Mission-Support-Center und dem On-Site-Support-Team mussten innerhalb der Mission in sieben Durchgängen Teamaufgaben lösen. Diese umfassten zum Beispiel die Planung eines Events, bei der jedes Teammitglied ein Aufgabenpaket – angefangen vom Catering über Dekoration bis hin zur Auswahl des Musikprogramms – zu übernehmen hatte.“ Interessant sei dann die Beobachtung, wie Absprachen und Entscheidungsprozesse innerhalb der Teams ablaufen.

Das zweite INTERTEAM-Experiment bezieht sich auf die Prozesse zwischen den drei Teams und besteht aus drei Durchgängen. Gemeinsam lösten zwei Analog-Raumfahrende und jeweils zwei Teilnehmende aus dem Mission-Support-Center und dem On-Site-Support-Team verschiedene Teamaufgaben pro Durchgang. „Dabei teilten die Astronautinnen bzw. Astronauten und das On-Site-Support-Team ihre Antworten mit dem Mission-Support Center, welches die Informationen zusammen mit den eigenen Antworten an das jeweils andere Team weiterleitete. Die Antworten aller Teams wurden benötigt, um die nächste Teamaufgabe lösen zu können“, so Christiane Heinicke vom ZARM. Die Kommunikation zwischen den Teams berücksichtigte dabei die Zeitverzögerung zwischen der Erde und dem analogen Mars.

„Spannende und lehrreiche Erfahrung“

Lara Watermann, Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Wirtschaftspsychologie und Personalwesen, hat den Auftakt-Durchgang vom ersten INTERTEAM-Experiment im Mission-Support-Center in Innsbruck begleitet: „Es war eine sehr spannende und lehrreiche Erfahrung, nicht nur die sogenannte Bridgehead-Phase – also die aktive Vorbereitungszeit auf die Mission im Mission-Support-Center – hautnah miterleben zu können, sondern auch Einblicke in die vielfältigen anderen internationalen Forschungsprojekte zu erhalten.“ Erste Ergebnisse zu INTERTEAM sind für Februar 2022 zu erwarten und werden in Publikationen und weitere Forschung zum Thema „Teamleistungen in extremen Umgebungen“ einfließen.

MarsLock-Projekt: Wie funktionale Luftschleusen konzipiert sein müssen

Während INTERTEAM vorrangig von Vera Hagemann geleitet wird, ist Christiane Heinicke primär für das MarsLock-Projekt verantwortlich. Mit MarsLock (eine Zusammensetzung von „Mars“ und „Airlock“, englisch für Luftschleuse) sollen anhand der aktuellen Bewegungsmuster der Analog-Raumfahrenden Empfehlungen für zukünftige Luftschleusen herausgearbeitet werden. Denn Luftschleusen sind eine der wichtigsten Komponenten eines Mars-Habitats: Sie ermöglichen der Crew, das Habitat zu betreten und zu verlassen, um die Umgebung zu erforschen.

Solche Luftschleusen stehen unter Druck und übernehmen bei der Rückkehr ins Habitat die Dekontamination der Raumanzüge, die während der Außenbordeinsätze (Extravehicular activity – EVA) getragen werden. „Wir haben bei AMADEE-20 die Vorbereitungen von EVAs beobachtet. Die Erkenntnisse sollen uns dabei helfen, Konzepte für zukünftige Luftschleusen zu erstellen. Denn gute Luftschleusen müssen sowohl aus technologischer Sicht als auch aus Sicht der Nutzenden funktional sein“, erklärt Projektleiterin Christiane Heinicke.

Zur AMADEE-20 Mars-Simulation

Die Analog-Astronautinnen und -Astronauten lebten und arbeiteten vom 11. bis 31. Oktober 2021 in einem speziell für die Mission entwickelten Habitat. Bei Aktivitäten außerhalb des Habitats trugen sie einen Raumanzug-Prototyp, der vom Österreichischen Weltraumforum (OeWF) entwickelt und gebaut wurde. Die Crew – bestehend aus einer Frau aus Deutschland und fünf Männern aus Österreich, Israel, Spanien, Portugal und den Niederlanden – führte Forschungen für zukünftige astronautische Marsmissionen durch. Eine Zeitverzögerung simulierte während der Mission die Signal-Reisezeit zwischen Erde und Mars. Die analoge Marsmission AMADEE-20 wurde vom OeWF in Zusammenarbeit mit der israelischen Weltraumagentur ISA und D-MARS, dem Betreiber des Marshabitats, in der Negev-Wüste in Israel durchgeführt. Mehr als 200 Forschende aus 25 Ländern waren an dieser internationalen Mission unter österreichischer Leitung beteiligt.

Weitere Informationen:

https://oewf.org/amadee-20/

Fragen beantworten:

- zum Projekt INTERTEAM:

Prof. Dr. Vera Hagemann
Leitung des Fachgebiets Wirtschaftspsychologie und Personalwesen
Fachbereich Wirtschaftswissenschaft
Universität Bremen
Tel. +49 421 218-66750
E-Mail: vhagemann@uni-bremen.de

- zum Projekt MarsLock:

Jasmin Plättner
Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
Universität Bremen
E-Mail: jasmin.plättner@zarm.uni-bremen.de
Tel. +49 421 218-57794

Link zur Pressemitteilung: https://www.uni-bremen.de/universitaet/hochschulkommunikation-und-marketing/pressemitteilungen/detailansicht/universitaet-bremen-an-mars-simulation-beteiligt

Forschungsschwerpunkt sind Zeolithe

Der Schwerpunkt von Michael Fischers Forschung liegt auf der Modellierung der Strukturen und Eigenschaften von Zeolithen. Zeolithe sind poröse, anorganische Materialien, die in unterschiedlichen Bereichen zum Einsatz kommen, unter anderem als Wasserenthärter in Waschmitteln sowie als Katalysator in großtechnischen Prozessen, beispielsweise in Raffinerien.

Inhalt des Heisenberg-Projektes

Im Rahmen des Heisenberg-Projekts wird Michael Fischer die Adsorption von pharmazeutisch aktiven Molekülen in Zeolithen untersuchen. Diese ist für verschiedene Anwendungen interessant: So könnten Zeolithe genutzt werden, um Rückstände von Pharmazeutika aus Abwässern zu entfernen. Eine möglichst vollständige Entfernung dieser Schadstoffe ist nicht nur aus ökologischer Sicht wünschenswert, sondern kann auch dabei helfen, die Bildung von Antibiotika-resistenten Bakterien zu verhindern. Daneben könnten Zeolithe auch als Trägermaterialien zum Einsatz kommen, um eine kontrollierte Abgabe von Wirkstoffen im menschlichen Körper zu ermöglichen. Hauptziel des Projektes ist es, mit Hilfe von atomistischen Modellierungsmethoden besonders vielversprechende Zeolithe für derartige Anwendungen zu identifizieren.

Wissenschaftlicher Werdegang

Nach Studium der Mineralogie/Kristallographie und Promotion in Anorganischer Chemie an der Universität Hamburg war Michael Fischer zwei Jahre lang als Postdoc am University College London tätig. Seit 2014 arbeitet er im Fachgebiet Kristallographie am Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen. Neben seinen Forschungsaktivitäten im Bereich der Materialmodellierung engagiert er sich auch in der Lehre sowie in der universitären Gremienarbeit.

Weitere Informationen:

www.dfg.de

https://www.geo.uni-bremen.de/kristall/Mi_Fi/mifi.html

Fragen beantwortet:

Dr. Michael Fischer
Fachgebiet Kristallographie
Fachbereich Geowissenschaften
Universität Bremen
Telefon: +49 421 218-65163
E-Mail: michael.fischer@uni-bremen.de

Link zur originalen Pressemitteilung

Das Matena innovate! Center wurde 2024 gegründet und wird von der Joachim Herz Stiftung gefördert. Es setzt dort an, wo klassische Innovationsketten versagen und Forschung oft vor dem Prototypenstadium stecken bleibt. Hier schließt es die systemische Lücke im Wissens- und Technologietransfer. Das Center bringt Forschende aus den Materialwissenschaften mit Fachleuten aus dem Transfer- und Innovationsmanagement zusammen. So werden etwa Patentierungen oder die Gründung von Start-ups aus den Projekten heraus vorangetrieben.

Forschende aus dem MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen können gemeinsam mit dem Matena innovate! Center Projektfinanzierungen durch ein mehrstufiges Bewerbungsverfahren starten. Der Lenkungskreis des Matena innovate! Centers hat vier neue Transferprojekte ausgewählt, die dieses Verfahren erfolgreich durchlaufen haben. Somit werden aktuell sieben Forschungsvorhaben vorangetrieben: Drei Transfer-Pilotprojekte zur Herstellung von umweltfreundlichen Zink-Ionen-Batterien, nachhaltigen Futtermitteln in der Aquakultur und neuartigen Wasserstoffsensoren laufen bereits seit Anfang 2025.

Die neuen Transferprojekte im Überblick

Ziel des Projekts Use Swarf ist das Upcycling von Schleifschlamm – ein Abfallprodukt, das bei Schleifarbeiten, insbesondere in der Metallverarbeitung, entsteht. In Deutschland fallen jährlich knapp 200.000 Tonnen davon an. Die beteiligten Wissenschaftler:innen entwickeln ein Verfahren, um Schleifschlamm als hochwertige Ressource wiederzuverwenden: Er kann zur Herstellung von Verschleißschutzschichten erneut eingesetzt werden.

Use Swarf wird koordiniert von Dr. Anastasiya Tönjes vom Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT. Projektpartner sind PD Dr. Daniel Meyer und Dr. Nils Ellendt sowie Dr. Lasse Langstädtler vom Leibniz-IWT und der Universität Bremen.

Das Projekt Twinspace entwickelt ein neuartiges Robotersystem, um Leichtbaukomponenten in der Luftfahrtindustrie herzustellen. In dem Verfahren sollen Carbonfasern automatisiert aufeinander abgelegt und damit Produktionskosten gesenkt sowie die Energieeffizienz gesteigert werden. Mithilfe des Robotersystems sollen außerdem zeit- und materialintensive Testläufe durch Simulationen und Prozesse in Echtzeit simuliert werden. Gelingen kann das mit sogenannten semantischen digitalen Zwillingen. Dabei handelt es sich um digitale Modelle der Produktionsanlage, die physikalische Modelle mit datenbasierten KI-Technologien kombinieren. So verbindet das System künstliche Intelligenz mit neuesten Erkenntnissen aus Materialwissenschaft und Fertigungstechnik.

Twinspace wird koordiniert von Professor Michael Beetz am AICOR Institute for Artificial Intelligence der Universität Bremen. Projektpartner ist das Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE) unter der Leitung von Professor David May.

Das Projekt Ostenit widmet sich einem neuartigen optischen Sensor, der die Qualität und Ressourceneffizienz bei der Oberflächenbehandlung von Stahlprodukten steigern soll. Um Stahloberflächen zu härten, sind energieintensive Nitrierverfahren der industrielle Standard: Sie sind essentiell für viele Anwendungen in der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrttechnik. Die Wissenschaftler:innen entwickeln in diesem Projekt einen Sensor, um erstmals die beim Nitrierprozess wachsende Schicht direkt am Bauteil im Ofen erfassen und aktiv einstellen zu können. Dank der neuen In-Prozess-Sensorik lässt sich so die Qualität der der Oberflächenbehandlung deutlich steigern. Zugleich lassen sich durch die direkte Randzonenüberwachung am Bauteil erhebliche Energieeinsparungen erzielen.

Das Vorhaben basiert auf einer engen, interdisziplinären Zusammenarbeit von Professor Andreas Fischer vom Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft der Universität Bremen (BIMAQ), Dr. Jérémy Epp und Dr. Matthias Steinbacher vom Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT.

Das Projekt Nachhaltige Gasaufbereitung im Stahlwerk adressiert das immense CO₂-Aufkommen bei der Stahlerzeugung und dessen Aufbereitungsproblem. Kohlendioxidhaltige Gase, die bei der Stahlerzeugung entstehen, können mithilfe von katalytischer Gasaufbereitung umgewandelt werden. Dabei entstehen Stoffe, die anschließend als Energiequellen oder Rohstoffe weiterverwendet werden können. Im Projektsoll diese katalytische Gasaufbereitung im Zusammenspiel mit Wasserstoff genutzt werden, um synthetischen Kraftstoff zu erzeugen. Es möchte belegen, dass der Ansatz einen klaren Beitrag zur CO₂-Reduktion leistet.

Das Projekt wird von Professor Jorg Thöming, Leiter des Fachgebiets Chemische Verfahrenstechnik am Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen, koordiniert.

„Gesellschaftlichen Beitrag für eine nachhaltigere Zukunft leisten“

Prof. Dr. Jutta Günther, Rektorin der Universität Bremen, betont: „Die Erforschung nachhaltiger Materialien und Technologien ist ein Exzellenzschwerpunkt an der Uni Bremen. Unsere Spitzenforscher:innen haben aber nicht nur den Anspruch, ambitioniert zu forschen, sondern auch Beiträge zur Lösung gesellschaftlicher Probleme zu leisten. Genau das befördert das Matena innovate! Center. Wir freuen uns über die neuen Projekte und Partnerschaften.“

„Wir sind begeistert über die hervorragenden Projektideen zu Material – Technologie – Nachhaltigkeit und werden diese exzellente Forschung zusammen mit den Teams und Partnern bis zur Marktreife vorantreiben. Wir freuen uns darauf, gemeinsam den Technologietransfer hin zu einer industriereifen Lösung zu meistern und damit auch einen gesellschaftlichen Beitrag für eine nachhaltigere Zukunft zu leisten“, sagt Professor Kurosch Rezwan, Scientific Director des Matena innovate! Center und Vorsitzender des Lenkungskreises.

„Mit den Projekten, die wir jetzt starten, zeigen die Teams und Matena, wie exzellente Forschung in konkrete Lösungen für zentrale Herausforderungen übersetzt werden kann – von Material Upcycling über KI-gestützte Produktion bis zur Energie- und CO₂-Reduktion. Mit Matena schaffen wir die Strukturen, um diesen Weg gezielt zu unterstützen – zwischen Labor, Anwendung und Markt“, ergänzt Dr. Jan Wedemeier, Managing Director des Matena innovate! Center.

„In Bremen entstehen gerade relevante Lösungen für sehr konkrete Probleme unserer Gegenwart im Bereich Klimaschutz und Ressourceneffizienz. Die Erkenntnisse zu neuen Materialien und Technologien sowie der nachhaltigen Wiederverwertung von Rohstoffen bleiben nicht in der Grundlagenforschung stecken, sondern sind auf dem Weg zur Marktreife. Genau das wollen wir im Sinne des Gemeinwohls mit unserer Förderung erreichen“, so Prof. Dr.-Ing. Dr. Sabine Kunst, Vorstandsvorsitzende der Joachim Herz Stiftung. 

Weitere Informationen:

https://www.linkedin.com/company/matena-innovate-center

https://www.uni-bremen.de/mapex

https://www.joachim-herz-stiftung.de/forschen-gruenden/innovate-center

Fragen beantworten:

Prof. Dr. sc. ETH Kurosch Rezwan
JHS innovate! Zentrum MaTeNa gGmbH
Tel. +49 (0) 421 218 64930
E-Mail: krezwan@uni-bremen.de

Dr. Jan Wedemeier
JHS innovate! Zentrum MaTeNa gGmbH
M +49 (0)160 1625207
E-Mail: matena@uni-bremen.de

Hoch wardie Nachfrage nach Positionen als studentische:r Mitarbeiter:in in konkreten Forschungsprojekten, Masterstudiengängen und Promotionsmöglichkeiten. Bachelorstudierende bereitet der vom MAPEX initiierte Masterstudiengang Prozessorientierte Materialforschung (ProMat) optimal auf eine Promotion vor. Eine Promotion in den Natur- und Ingenieurwissenschaften eröffnet erstklassige Berufsaussichten in der Forschung und der Industrie. Doktorand:innen am MAPEX sind Teil eines der führenden Materialforschungsverbünde Deutschlands. Sie profitieren von einem exzellenten Netzwerk vor Ort, das mehr als 1000 wissenschaftliche und technische Mitarbeitende verbindet. Sie arbeiten direkt auf dem Campus mit Partner:innen aus Forschung und Industrie zusammen. Außerdem kooperieren sie mit renommierten Instituten wie dem Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT), dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM), dem Faserinstitut Bremen e.V. (FIBRE), dem Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH (BIAS) und dem DLR Institut für Raumfahrtsysteme.

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Offene Stellen am MAPEX

Auch Professor Michal Kucera, Konrektor für Forschung und Transfer, der die Teams über Jahre in der Antragsvorbereitung begleitet hat, ist erfreut: „Das ist eine absolute Teamleistung. Sich in einem so kompetitiven und langen Auswahlverfahren, das sich über zweieinhalb Jahre erstreckt, stetig zu steigern und die Gutachtenden mehrfach zu überzeugen, verdient Hochachtung. Das geht nur, wenn alle zusammenarbeiten und im richtigen Moment ihren Beitrag leisten.“

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gab am 22. Mai die Förderentscheidung für die neuen Exzellenzcluster bekannt. Ab dem 1. Januar 2026 werden an der Universität Bremen die Exzellenzcluster „Der Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde“ sowie „Die Marsperspektive – Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“ gefördert.

„Das war ein Moment der großen Freude“, so Bremens Senatorin für Umwelt, Klima und Wissenschaft, Kathrin Moosdorf, die als Vertreterin der Länder an der Auswahlsitzung in Bonn teilgenommen hatte: „Dass sowohl das MARUM als auch das MAPEX im Rahmen der Exzellenzstrategie gefördert werden, belegt die hohe Qualität Bremens als Wissenschaftsstandort. Wir haben in Bremen exzellente Forschende, sehr gute Forschungs­bedingungen und besonderen Forschungsgeist. Ich danke allen Beteiligten, die diesen großartigen Erfolg möglich gemacht haben.“

Der Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde: MARUM freut sich über erneute Exzellenzförderung

Seit mehr als zwei Jahrzehnten betreibt das MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen Spitzenforschung im Rahmen der Exzellenzstrategie. „Über die positive Förderentscheidung freuen wir uns am MARUM riesig! Mit diesem Erfolg können wir unser Engagement für die Förderung wissenschaftlicher Entdeckungen und die Unterstützung des wissenschaftlichen Nachwuchses innovativ weiterentwickeln“, sagt Professor Heiko Pälike, designierter Sprecher des Exzellenzclusters für die zweite Förderphase, die am 1. Januar 2026 beginnt. „Das Ergebnis ist auch deshalb etwas Besonderes, da es ein hervorragendes Bewerberfeld gibt.“ 

Erforscht wird der Ozeanboden als eine Schnittstelle, die weitreichende Funktionen für das gesamte Erdsystem bildet. Dafür gilt es beispielsweise, die Prozesse zu entschlüsseln, die den Transport von biogenen Partikeln wie Algenresten, Pollen oder Mikroorganismen zum Ozeanboden und deren Umwandlung unter sich verändernden Umweltbedingungen steuern, den Transfer von Kohlenstoff und anderen Elementen zwischen Ozeanboden und Meerwasser zu bilanzieren, oder zu verstehen, wie Ökosysteme am Ozeanboden auf Umweltveränderungen reagieren. Aufgrund ihrer wissenschaftlichen und technologischen Komplexität erfordert die Umsetzung der Clusterziele einen interdisziplinären Forschungsverbund: In der nun bewilligten Förderphase arbeiten die Forschenden der Universität Bremen im Verbund mit den Wissenschaftler:innen vom Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) an der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg. Sie bündeln ihre Kompetenzen, um die Rolle des Ozeanbodens für Stoffkreisläufe und Biodiversität unter sich ändernden klimatischen Bedingungen weiter zu entschlüsseln.

Weitere Kooperationspartner in der Region sind das Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven, das Helmholtz-Institut für Funktionelle Marine Biodiversität an der Universität Oldenburg (HIFMB), das Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie (MPI-MM), die Constructor University, das Leibniz Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) und das Hanse-Wissenschaftskolleg in Delmenhorst.

„Wir sind dankbar für die Unterstützung unserer Mitarbeitenden, der Länder Bremen und Niedersachsen und unserer internationalen Kooperationspartner, ohne deren Engagement und Partnerschaft dieser erneute Erfolg nicht möglich gewesen wäre“, stellt auch Professor Kai-Uwe Hinrichs, Direktor des MARUM, heraus. „Wir freuen uns darauf, auch zukünftig mit unserer gemeinsamen Forschung zum Nutzen der Gesellschaft beizutragen.“

Die Marsperspektive – Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit: MAPEX holt neuen Exzellenzcluster nach Bremen

Große Freude herrscht auch bei den Wissenschaftler:innen des MAPEX Center for Materials and Processes. Professor Marc Avila, designierter Co-Sprecher des Clusters: „Wir sehen die Förderung als Anerkennung unserer vierjährigen, harten Arbeit. Uns stellen sich nun neue Weichen, die es uns ermöglichen, das gesellschaftlich hochrelevante und zukunftsorientierte Thema der Ressourcen­knappheit und der Entwicklung nachhaltiger Produktionstechnologien mit aller Kraft anzugehen. Unser Dank gilt dem Land Bremen und der Universität Bremen, die von Beginn an Vertrauen in unsere wissenschaftliche Kompetenz in den Bereichen Materialwissenschaften, Explorationsforschung, Produktionstechnik und Raumfahrttechnologie gesetzt haben. Insofern ist die Förderung des Exzellenzclusters eine Auszeichnung für den Wissenschafts- und Raumfahrtstandort Bremen.“

Die Wissenschaftler:innen nehmen die „Marsperspektive“ ein, um die Produktion von Materialien und Bauteilen von Grund auf neu zu denken: Die Ressourcenknappheit und extremen Rahmenbedingungen auf dem roten Planeten dienen als experimentelles Setting, um ein neues Paradigma der Nachhaltigkeit zu entwickeln, das innovative ressourcen- und energieschonende Prozesse der Materialgewinnung und -verarbeitung ermöglicht. Langfristig soll der Cluster damit zu einer nachhaltigen Erforschung des Weltraums beitragen, vor allem aber auch den grünen Wandel auf der Erde antreiben.

Zur Simulation dieses Szenarios erlegen sich die Forschenden selbst Knappheit in vier Dimensionen auf, für die sie im Cluster Lösungen entwickeln: Limitierte Rohstoffe, limitierte elektrische Energie, limitierte Arbeitskraft und limitierte Informationen. Unter Berücksichtigung dieser Rahmenbedingungen werden drei wissenschaftliche Zielstellungen verfolgt: Erstens die Entwicklung (bio-)elektrochemischer Methoden, die ohne fossile Brennstoffe auskommen und mit denen selbst aus minderwertigem Ausgangsmaterial Metalle, Kunststoffe und weitere (überlebenswichtige) Rohstoffen wie z. B. Sauerstoff gewonnen werden können. Zweitens die experimentelle Demonstration von Niedrigenergie-Prozessketten, mit denen aus den gewonnen Rohstoffen eine Reihe von Bauteilen in hinreichender Qualität („enough-to-use“) hergestellt werden können. Drittens die Konzeption neuartiger Bedienkonzepte für Produktionsanlagen, die gemeinsam von kleinen Teams aus Mensch und Roboter unter großen Unsicherheiten und begrenzten Informationen betrieben werden.

Mit der Marsperspektive sollen die Voraussetzungen für eine hochautomatisierte, ressourcenschonende und von fossilen Brennstoffen unabhängige Produktion von Materialien und Bauteilen geschaffen werden. „Damit leistet der Cluster sowohl einen Beitrag zur Erforschung des Mars als auch und vor allem zur Entwicklung innovativer Technologien zum Nutzen der Erde“, sagt die designierte Co-Sprecherin Professorin Kirsten Tracht: „Die Förderung ermöglicht es unserem interdisziplinären Team, mit einem disruptiven Forschungsansatz völlig neue Wege zu beschreiten. Unser Ziel ist es, Nachhaltigkeit radikal neu zu denken und dieses Wissen nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der Praxis anzuwenden. Wir möchten dafür zum einen mit der Industrie zusammenarbeiten. Zum anderen werden wir gemeinsam mit Kindertagesstätten und Schulen einen Wissenstransfer anstoßen, der es zukünftigen Generationen ermöglicht, eine nachhaltige Zukunft zu gestalten.“

Kooperationspartner sind: Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - IWT, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM sowie das MATENA innovate! Zentrum.

Startschuss im Rennen um den Titel „Exzellenzuniversität“: Bestmögliche Ausgangslage für Nordwestverbund Bremen-Oldenburg

Mit der Exzellenzcluster-Entscheidung steht nun auch fest, wie es für die Universität Bremen im Exzellenzwettbewerb weitergeht: „Die eingeworbenen Exzellenzcluster sind das Eintrittsticket für das Rennen – gemeinsam mit der Universität Oldenburg – um den Titel „Exzellenzuniversität“ – darauf haben wir die ganze Zeit gehofft“, berichtet Rektorin Jutta Günther. „Da wir uns schon seit Längerem im intensiven Arbeitsmodus mit der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg befinden, sind wir bestens vorbereitet. Der große Erfolg heute zeigt, wie tragfähig unsere Zusammenarbeit ist. Der Universität Oldenburg, die heute ebenfalls auf der ganzen Linie erfolgreich war, gratuliere ich ganz herzlich!“

Ziel ist es, eine gemeinsame Vision zu entwickeln, die durch diverse institutionelle Vorhaben an beiden Universitäten getragen wird. Die Anträge für die Exzellenzuniversitäten werden im November dieses Jahres eingereicht und im kommenden Frühjahr begutachtet. Eine Entscheidung fällt im Herbst 2026.

Weitere Informationen:

Exzellenzcluster „Der Ozeanboden“: https://www.marum.de/Der-Ozeanboden.html

Exzellenzcluster „Die Marsperspektive“: https://www.mars.uni-bremen.de

Northwest Alliance: www.northwest-alliance.de

Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder: https://www.exzellenzstrategie.de/

Fragen beantwortet:

Rektorin

Prof. Dr. Jutta Günther
Tel.: +49 421 218-60011
Mail: rektorinuni-bremen.de

Sprecher:innen des Exzellenzclusters „Die Marsperspektive“

Prof. Dr. Marc Avila
Tel.: +49 421 218-57826
Mail: directoratezarm.uni-bremen.de
 

Prof. Dr.-Ing. Kirsten Tracht
Tel.: +49 421 218-64840
Mail: trachtbime.de

Sprecher des Exzellenzclusters „Der Ozeanboden“

Prof. Dr. Heiko Pälike
Tel.: +49 421 218-65980
Mail: hpaelikemarum.de

Autorin: Christina Selzer

In der Reportage „Eine Brücke über das ‚Valley of Death‘“ können Sie mehr über die Forschung Kerzenmachers und den strategischen Ansatz lesen, den das „innovate! Zentrum“ verfolgt. Die Reportage ist am 23. April erschienen und wurde von dem Journalisten Christian Heinrich für die Joachim Herz Stiftung verfasst.

Das kann lästig werden, erklärt die Wissenschaftlerin Lucia Sorrill. Bei Science goes PUBlic am 10. April 2025 hat sie deshalb im Bremer Viertel dem Kneipenpublikum erklärt, warum und wie sie an der Universität Bremen zu anderen Batterien forscht.

Das Problem: Die meisten Batterien verwenden Zink. Das macht sie billig und sicher, aber leider nur für den einmaligen Gebrauch. Lucia Sorrill erforscht, wie man eine wiederaufladbare Batterie herstellen kann, die billig, sicher und zusätzlich noch umweltfreundlich ist.

Die Bestrahlungsanlage beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bremen pfeift und röchelt. Die Komponenten der riesigen Maschine tragen futuristische Namen wie "Teilchenbeschleuniger", "Sonnensimulatoren" oder "VUV-Quelle". Aber auch das Experiment, das die Bremer Wissenschaftler um Tim Neudecker hier durchführen, fällt in die Kategorie Zukunftsforschung. "Wir wollen ein Material entwickeln, das einen effizienten Schutz vor Weltraumstrahlung liefert", erklärt der 36-jährige Chemie-Professor.

Warum ist die Weltraumstrahlung gefährlich?

Die Strahlung im All stammt von der Sonne, der Milchstraße und aus fernen Galaxien. Sie besteht vorwiegend aus Protonen. Man kann sie sich als "kleine Projektile vorstellen, die durch den Weltraum fliegen", sagt Neudecker. Denn sie können die DNA der Menschen schädigen. Das wiederum führt zur schnelleren Alterung und das Krebsrisiko steigt für Menschen im All. Gleichzeitig greift die Strahlung auch die Hüllen und die Elektrik von Satelliten oder Raumschiffen an.

Weiterlesen? Zum ganzen Artikel

Das Treffen war ein bereichernder Gedankenaustausch, der die Verbindungen zwischen den beiden Institutionen stärkt und den Weg für eine wirkungsvolle Forschung im Bereich Nachhaltigkeit und Netto-Null-Technologien ebnet.

Zum vollständigen Interview bei up2date

Insgesamt sind 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler (12 Projektleitende sowie ein Mercator-Fellow aus Harvard) an der neuen ortsverteilten Gruppe beteiligt, in der Professor Dante Kennes (RWTH Aachen) der Sprecher ist. Co-Sprecher ist Professor Michael Sentef von der Universität Bremen. „Die Hälfte der Gruppe arbeitet – wie ich – in der theoretischen Physik, die andere Hälfte in der experimentellen Physik“, sagt Michael Sentef. „Unser Ziel ist es, die funktionalen Eigenschaften neuartiger Quantenmaterialien — also Materialien, bei denen atomar-quantenmechanische Effekte auf makroskopischer Skala eine wichtige Rolle spielen – mit Licht zu kontrollieren.“

Materialeigenschaften per Licht „wie auf Knopfdruck“ kontrollieren

Dadurch werde Licht zu einer Art Knopf, mit dem man Materialeigenschaften quasi auf Knopfdruck wie gewünscht manipulieren könne „Der Vorteil darin gegenüber anderen Knöpfen – etwa chemische Zusammensetzung, Druck, Temperatur – ist, dass es im Idealfall umkehrbar ist. Und das alles ultraschnell, innerhalb eines Millionstels eines Millionstels einer Sekunde.“ Das langfristige Ziel bestehe in der Entwicklung von nachhaltigen und energieeffizienten Geräten, die zum Beispiel für Energieumwandlung, Quantensensorik oder allgemein Quantentechnologien eingesetzt werden können.

Die Rolle der Arbeitsgruppe von Professor Sentef in dieser Forschungsgruppe ist es, Modelle für die zu untersuchenden Materialien „ab initio“ — von den Grundprinzipien ihrer atomaren Struktur her — zu erstellen und diese mit modernen Methoden und Computersimulationen im Nichtgleichgewicht zu lösen. „Daraus ergeben sich Vorhersagen für Erfolg versprechende Experimente, deren Resultate wiederum mit Hilfe unserer Modelle analysiert werden sollen“, so der Bremer Physiker.

Kurzzusammenfassung des Forschungsvorhabens aus dem Antrag bei der DFG

Das Forschungsprojekt OPTIMAL untersucht, wie man spezielle Materialien – sogenannte Quantenmaterialien – mit Licht steuern kann. Diese Materialien besitzen einzigartige Eigenschaften, die sie für Technologien der Zukunft sehr interessant machen. Ein Ziel ist es, herauszufinden, wie man diese Materialien mit Lichtpulsen beeinflussen kann, um neue Zustände und Verhaltensweisen zu erzeugen.

Das Problem dabei ist, dass das Verhalten dieser Materialien im „Nichtgleichgewicht“, also wenn sie durch Licht beeinflusst werden, sehr kompliziert ist und noch nicht vollständig verstanden wird. Außerdem ist es schwierig zu messen, wie verschiedene Aspekte dieser Materialien, wie Spin, Ladung und Atomgitter, zusammenwirken. Hinzu kommt, dass unerwünschte Effekte wie Aufheizen oft die gewünschten Veränderungen verdecken.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen, kombiniert OPTIMAL moderne Experimentiertechniken mit theoretischen Modellen. Im Fokus stehen zwei Materialgruppen: Materialien, in denen die Wechselwirkung zwischen Spin, Ladung und Gitter wichtig ist (z.B. sogenannte Mott-Isolatoren), und spezielle metallische Verbindungen, die bei bestimmten Temperaturen supraleitend werden können.

Das Ziel der ersten Projektphase ist es, diese Materialien umfassend zu untersuchen und herauszufinden, wie sie mit Licht beeinflusst werden können. In der zweiten Phase wollen die Forschenden dann Methoden entwickeln, um die Materialien gezielt mit geringem Laseraufwand zu steuern. Langfristig könnten die Erkenntnisse aus diesem Projekt dazu beitragen, neue Technologien zu entwickeln, die auf Quantenmaterialien basieren.

Weitere Informationen:

https://www.uni-bremen.de/en/lmcqm
https://lab.sentef.org

Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Michael Sentef
Universität Bremen
Theoretische Festkörperphysik
Institut für Theoretische Physik (ITP) & Bremer Zentrum für Computational Materials Science (BCCMS)
Tel.: +49 (0)421 218-62039
E-Mail: sentef@uni-bremen.de

Maylin Homfeldt erhält den Preis für ihre Masterarbeit im Fachbereich Produktionstechnik der Universität Bremen. In ihrer Arbeit hat sie sich mit einer innovativen Methodik beschäftigt, um Qualitätsmängel frühzeitig zu erkennen, ihnen entgegenzusteuern und sie zukünftig zu vermeiden. In der Auseinandersetzung mit dem additiven Prozess des Binder Jettings hat sie mit der Contact-Image-Sensor Einheit (CIS) eines handelsüblichen Dokumentenscanners gearbeitet. Dieser hat es ihr ermöglicht, Bilder des Metallpulverbettes mit eingebrachtem Binder zu generieren und mit einem Algorithmus auszuwerten. Auf diese Weise konnte sie die tatsächliche Bindereinbringung mit der Soll-Bindereinbringung vergleichen und geometrische Abweichungen feststellen. Maylin Homfeldt ist Alumni des interdisziplinären Studiengangs „Prozessorientierte Materialforschung“ (ProMat), der vom MAPEX Center for Materials and Processes initiiert wurde. Ihre Abschlussarbeit ist am Fraunhofer IFAM entstanden. Aktuell arbeitet sie am Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT) in der Abteilung Leichtbauwerkstoffe.

Dr. Isabell Grothaus erhält den Sonderpreis der Firma Bruker Daltonics GmbH & Co.KG. für ihre Dissertation. In dieser eröffnet sie neue Einblicke in die Welt des Zuckers. Sie hat im Rahmen ihrer Dissertation neue Methoden entwickelt, um die dreidimensionale Struktur von Zuckern namens N-Glykane zu analysieren und deren Flexibilität zu untersuchen, die entscheidend für ihre Funktion ist. Zucker ist nämlich nicht nur ein Energielieferant, sondern spielt eine zentrale Rolle im menschlichen Körper. Auf Zelloberflächen bildet er eine Art ‚Zuckerglasur‘, die entscheidend für die Zellkommunikation und den Schutz vor Krankheiten ist. Veränderungen in dieser Zuckerschicht, etwa durch Tumore oder Parasiten, können schwere Erkrankungen fördern. Anwendung finden könnten Grothaus’ Methoden in der Bekämpfung der Schlafkrankheit, einer Tropenerkrankung, die durch den Parasiten „Trypanosoma congolense“ verursacht wird. Der Parasit manipuliert die Zuckerschicht der roten Blutkörperchen im menschlichen Körper, was zu schweren Krankheitssymptomen führt. Grothaus konte zeigen, dass die Flexibilität von Zuckerstrukturen die Aktivität eines bestimmten Enzyms des Parasiten beeinflusst. Durch gezielte Eingriffe in diese Strukturen könnte in Zukunft ein neuer Ansatz zur Behandlung entwickelt werden. Diese Fortschritte könnten auch die Entwicklung von Medikamenten gegen Krebs oder andere Krankheiten vorantreiben, da sie helfen, die komplexen Wechselwirkungen zwischen Zucker und Enzymen im Detail zu verstehen. Die Entdeckung markiert einen wichtigen Schritt zur Entschlüsselung des ‚Zuckercodes‘, der entscheidend für viele biologische Prozesse ist. Grothaus’ Dissertation mit dem Titel „Conformational phase spaces of N-glycans under the computational microscope” ist in der Hybrid Materials Interfaces Group an der Universität Bremen entstanden.

Bei der Veranstaltung im Festsaal der Bremischen Bürgerschaft würdigten Irene Strebl, Staatsrätin für Umwelt, Klima und Wissenschaft, Professor Michal Kucera, Konrektor für Forschung und Transfer, und Dr. Georg Mecke, Vorstand der unifreunde, die Leistungen der insgesamt acht Preisträger:innen.

Michal Kucera rief dazu auf, auch die Wissenschaftsfreiheit zu feiern. „Wissenschaftsfreiheit“, so der Konrektor, „ist die Grundlage zur Förderung von Forschenden. Wir brauchen einen wissenschaftlichen Nachwuchs, der dazu befähigt und ermutigt wird, sich frei zu entfalten, sich Forschungsthemen selbst zu setzen, ergebnisoffen zu forschen und sich auch mit kontroversen Themen kritisch auseinanderzusetzen. Nur in einer Umgebung, die kreative und innovative Ideen zulässt, können sie ihr Potenzial voll entfalten und zu hervorragenden Wissenschaftler:innen der nächsten Generation werden. Also lassen Sie uns heute Abend einmal bewusst auf das schauen, was wir sonst gar nicht bewusst wahrnehmen, weil es eben immer da ist. Lassen Sie uns neben den hervorragenden Leistungen der Preisträger:innen auch die Wissenschaftsfreiheit bei diesem Anlass gemeinsam feiern.“

Quellen und weitere Informationen

Pressemitteilung Uni Bremen

Pressemitteilung IWT

Ausschreibung Bremer Studienpreis

In der Initiative Humans on Mars arbeitet Prof. Dr.-Ing. Armin Dekorsy an der Erforschung der semantischen Kommunikation zur Verbindung von Menschen und Maschinen für den Betrieb von Materialproduktionstechnologien auf dem Mars.

Mehr über Science goes Public finden Sie hier: Programm Science goes Public!

Ein Artikel von Kai Uwe Bohn, up2date Redaktion der Universität Bremen.

Wie der Zufall so spielt: Daniel Meyer kam nach Bremen, um Biologie zu studieren. Einen Job fand er aber als studentische Hilfskraft am Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT. „Da sollte ich unter anderem die Kühlschmierstoffe an den vielen Werkzeugmaschinen untersuchen – milchähnliche Emulsionen, die bei Zerspanprozessen eingesetzt werden.“ Die Expertise des Biologiestudenten war gefragt, um den Zustand der Schmierstoffe zu überprüfen.

Bald wurde sein Interesse auch an den anderen Vorgängen im Institut und im Fachbereich Produktionstechnik geweckt. Er hatte Einblicke in verschiedene Verfahren wie Drehen, Fräsen, Bohren und Schleifen, lernte neue technische Geräte und faszinierende Forschung kennen. Doch zunächst schloss er sein Biologiestudium ab und arbeitete anschließend am Zentrum für Humangenetik der Universität Bremen in der Krebsforschung. 2006 stieg er dann am heutigen Leibniz-IWT als wissenschaftlicher Mitarbeiter ein.

Vom Biologiestudenten zum Ingenieur

Daniel Meyer wurde dort von seinem damaligen Chef Professor Ekkard Brinksmeier zum Ingenieur ausgebildet. Für ihn eine 180-Grad-Wende: „Ein ungewöhnlicher Weg – als würde ein 100-Meter-Läufer plötzlich zum Stabhochsprung wechseln.“ Während man in der Biologie im Labor mit Chemikalien und Zellen arbeitet, beschäftigte sich Meyer in den fünf Jahren bis zu seiner Promotion intensiv mit verschiedenen Fertigungsprozessen.

Dabei ging es etwa um das präzise Bohren, was besonders in der Luftfahrt von großer Bedeutung ist. „In so ein Flugzeug müssen sehr viele Löcher sehr genau gebohrt werden“, erklärt Meyer. Auftraggeber solcher Forschungsprojekte waren oft große Unternehmen wie Airbus oder deren Zulieferer. Neben dem Bohren arbeitete er auch mit Fräs-, Dreh- und Schleifwerkzeugen.

Optimierung von Werkstoffeigenschaften

Im Leibniz-IWT liegt der Fokus meist auf der Bearbeitung von Materialien wie Stahl, Titan oder Nickelbasislegierungen. „Wenn wir sie durch Drehen, Fräsen oder Bohren in Form bringen, dann verändern wir auch die Eigenschaften des Materials“, erklärt Meyer. Diese Veränderungen sind teils sichtbar, etwa durch raue oder glatte Oberflächen. Doch es gibt auch unsichtbare Effekte: Die Oberflächen können durch die Bearbeitung härter werden und dadurch bei Belastung – etwa Schwingungen – länger halten. Diese komplexen Zusammenhänge untersuchte Meyer eingehend.

Besonders stolz ist er darauf, dass er in der Habilitation wieder seine biologische Expertise mit einbringen konnte. Denn Kühlschmierstoffe, die in der Fertigung eine große Rolle spielen, beeinflussen die Bearbeitungsprozesse und somit auch die Eigenschaften der Werkstücke. Dies spiegelt sich auch im Titel seiner Habilitationsschrift wider: „Fertigungsbedingte Werkstoffmodifikation – Folge der Interaktion von Prozess und Material.“ Ein einzigartiges Thema, mit dem sich bis dahin noch niemand so umfassend beschäftigt hatte.

Eine Veranschaulichung der Forschung von Daniel Meyer verdeutlicht, wie sich Materialeigenschaften durch Bearbeitung verändern: Wenn man eine Büroklammer mehrfach hin- und herbiegt, wird der Biegepunkt warm, und irgendwann bricht die Büroklammer an dieser Stelle. „Wir haben also über eine Verformung die Materialeigenschaften verändert, denn dort, wo das Material bricht, hat es sich zuvor verfestigt und ermüdet“, erklärt Meyer. Gerade in sicherheitsrelevanten Bereichen ist es wichtig, dass Bauteile lange halten und nicht vorzeitig brechen. Durch gezielte Bearbeitung kann man bestimmte Eigenschaften in das Material einbringen, die seine Lebensdauer verlängern – etwa eine höhere Härte, eine glattere Oberfläche oder optimierte Druckeigenspannungen.

Eigenspannungen und ihre Bedeutung

Ein einfaches Beispiel für Eigenspannungen lässt sich sogar in der Küche beobachten: Schneidet man Karotten längs auf, nehmen die dünnen Sticks oft eine leicht gebogene Form an – ähnlich wie Bananen. „Das ist ein Resultat der Eigenspannungen“, erklärt Meyer. „Solche Spannungszustände gibt es auch bei Metallen, und das kann man gezielt beeinflussen.“ So können schon bei der Bearbeitung der Werkstoffe deren spätere Eigenschaften entscheidend gestaltet werden, um sie für die Herausforderungen ihrer Einsatzbereiche zu optimieren. „Dadurch, dass wir durch verschiedene Fertigungsprozesse die äußersten 50 Mikrometer einer metallischen Oberfläche beeinflussen – das entspricht ungefähr dem Durchmesser eines menschlichen Haares – können wir diese erheblich widerstandsfähiger machen.“

Besonders in Branchen, in denen die Langlebigkeit von Bauteilen eine zentrale Rolle spielt, könnten seine Forschungsergebnisse von großer Bedeutung sein. Etwa für die Windenergie. „Wenn ein Windrad sich dreht, werden unzählige Bauteile immer wieder schwingend belastet – 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr“, macht er die Beanspruchung deutlich. Im Automotor wiederum bedeuten mehrere tausend Umdrehungen pro Minute auch mehrere tausend Lastfälle. Und in der Luftfahrt werden Bauteile zum Beispiel bei Start und Landung extrem belastet. Überall sind schon die Fertigungsprozesse entscheidend, dass man sich hinterher darauf verlassen kann, dass die verwendeten Bauteile im Einsatz fehlerlos funktionieren.

Neue Herausforderungen auf dem Mars

Seine Kenntnisse aus verschiedenen Gebieten kommen Daniel Meyer jetzt in der Forschungsinitiative „Humans on Mars“, an der er beteiligt ist, sehr gelegen. Er ist am Antrag für den Exzellenzcluster „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“ der Universität Bremen beteiligt. Die spezielle Expertise des Biologen und Produktionstechnikers fließt in das interdisziplinäre wissenschaftliche Team ein, dessen Forschung nun dazu beitragen könnte, der Universität Bremen erneut den Exzellenzstatus zu sichern.

„Stellen wir uns vor, dass sich Menschen über einen längeren Zeitraum auf dem Mars aufhalten. Denen wird man nicht alles auf ihre Reise mitgeben können, was sie dort brauchen“, sagt Daniel Meyer. „Dort wird es keine Hochregallager mit allen möglichen Ersatzteilen geben. Nachschub braucht zwei Jahre, bis er auf dem Mars ist.“ Wenn also etwas schnell ersetzt werden muss, werden sich die Menschen auf dem Mars das Fehlende selbst herstellen müssen.

Im Forschungsverbund wurden bereits aussichtsreiche Verfahren entwickelt, um mit auf dem Mars vorhandenen Ressourcen auszukommen. „Viel ist da oben nicht. Die Frage lautet also zugespitzt: Wie macht man aus Marsstaub Rohmaterialien?“ Wenn es dann darum geht, aus diesem Rohmaterial Bauteile zu erzeugen, kommt Daniel Meyer mit seiner Expertise ins Spiel. Er leitet innerhalb des Clusters die Planungen für die „Research Area Processing“ und weiß: „Die Rohmaterialien auf dem Mars werden verunreinigt sein. Komplett reine Materialien wie auf der Erde wird es dort nicht geben.“

Die Aufgabe „seiner“ Research Area ist es nun, vor diesem Hintergrund Prozesse neu zu entwickeln, anzupassen und so zu beherrschen, dass man aus den Rohmaterialien dann funktionierende Bauteile erzeugen kann. „Wir werden Prozesse auf die dortigen Rahmenbedingungen anpassen müssen – und Lösungen finden, die auf dem Mars funktionieren.“ Das schöne dabei sei, dass man bei dieser Forschungsarbeit auch viel zum Nutzen auf der Erde lerne, was man ohne diese Marsinitiative vielleicht nicht lernen würde: „Zum Beispiel für das Recycling. Wir werden in Zukunft immer mehr Stoffe wiederverwerten müssen. Dabei entstehen zunehmend unreine Stoffe. Wie wir mit ihnen trotzdem effizient arbeiten können, erforschen wir jetzt schon in unserem Marsprojekt.“

Hier geht es zum Artikel auf up2date, dem Online-Magazin der Universität Bremen.

„Wir gehen mit zwei sehr starken Clusteranträgen ins Rennen“, ist Rektorin Jutta Günther überzeugt. „Sowohl die Marsperspektive, die sich mit den knappen Ressourcen auf dem Mars beschäftigt, als auch die Klima- und Meeresforschung widmen sich gesellschaftlich relevanten Themen unserer Zeit. Ich danke allen Kolleginnen und Kollegen, die in den letzten Wochen und Monaten mit vollem Einsatz an den beiden Anträgen gearbeitet haben. Jetzt heißt es weiter erstklassige Forschung betreiben und Daumen drücken.“  

Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit

Bei dem Vollantrag handelt es sich um „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“, der sich im Februar im ersten Schritt erfolgreich durchgesetzt hatte.  
Die scheinbar unbegrenzt verfügbaren Ressourcen haben der Menschheit ein rapides Bevölkerungswachstum ermöglicht, das mit einer massiven Ausbeutung fossiler Brennstoffe einherging. Mit der daraus resultierenden voranschreitenden Zerstörung der Umwelt steuert die Welt nun auf ein Zeitalter der Ressourcenknappheit zu, welches nahezu alle Produktionstechnologien in ihren Grundfesten zu erschüttern droht. Weltweit wird daher bereits intensiv an Möglichkeiten geforscht, Produktion nachhaltiger, effizienter und automatisierter zu gestalten.

Mit dem Cluster nehmen die Wissenschaftler:innen der Universität Bremen eine radikal neue Perspektive ein, die auf einen langfristigen Paradigmenwechsel ausgerichtet ist. Sie begeben sich gedanklich auf den Mars, eine Welt, die potenziell bewohnbar aber lebensfeindlich ist. Die extrem knappen Ressourcen dort zwingen dazu, die Produktion von Materialien und Bauteilen von Grund auf neu zu denken.
Mit dem Cluster „Die Marsperspektive“ soll ein Paradigma geschaffen werden, in dem Materialien und Bauteile mit knappen Ressourcen in einer für die Nutzung hinreichenden Qualität hergestellt werden. Die Knappheit umfasst die vier Dimensionen Rohstoffe, elektrische Energie, Arbeitskraft und Information. Die Forschung erstreckt sich auf drei Bereiche: Die Entwicklung (bio-)elektrochemischer Methoden, um Materialien selbst aus minderwertigen Rohstoffen zu gewinnen. Zweitens die Gestaltung von Niedrigenergie-Prozessketten, welche die gewonnenen Materialien in eine Reihe von Bauteilen überführen. Drittens die Konzipierung neuartiger Bedienkonzepte für Produktionsanlagen, in denen kleine Teams aus Mensch und Roboter agieren. Mithilfe der Marsperspektive sollen die Grundlagen für eine hochautomatisierte und resiliente Produktion von Materialien und Bauteilen aus knappen Ressourcen gelegt werden, die frei von fossilen Brennstoffen sind.

Erforschung des Ozeanbodens: MARUM stellt Fortsetzungsantrag gemeinsam mit Universität Oldenburg

Das Team vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften der Universität Bremen hat einen Fortsetzungsantrag eingereicht. Denn am MARUM ist bereits einer der aktuell 57 bundesweit geförderten Exzellenzcluster angesiedelt. Den Fortsetzungsantrag für den Exzellenzcluster „Der Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde“ haben die Forschenden am MARUM dieses Mal als Verbundantrag gemeinsam mit Wissenschaftler:innen der Universität Oldenburg eingereicht.
Erforscht wird der Ozeanboden als eine wichtige, dynamische Schnittstelle, die weitreichende Funktionen für das gesamte Erdsystem bildet. Die Wissenschaftler:innen erforschen, wie geologische, physikalische, chemische und biologische Prozesse im und am Ozeanboden einander beeinflussen und so auf das Klimasystem, den globalen Kohlenstoffkreislauf und die biologische Produktivität des Weltozeans wirken. Die Forschenden möchten die Prozesse besser verstehen, um den Ozeanboden in globale Stoffbilanzen einbeziehen zu können. Dafür gilt es beispielsweise zu entschlüsseln, welche Prozesse den Transport von biogenen Partikeln zum Ozeanboden und deren Umwandlung unter sich verändernden Umweltbedingungen steuern, den Transfer von Kohlenstoff und anderen Elementen zwischen Ozeanboden und Meerwasser zu bilanzieren, oder zu verstehen, wie Ökosysteme am Ozeanboden auf Umweltveränderungen reagieren. Aufgrund ihrer wissenschaftlichen und technologischen Komplexität können diese Ziele nur durch einen interdisziplinären Forschungsverbund erreicht werden.

Einen wichtigen Beitrag leisten hier die Wissenschaftler:innen der Universität Oldenburg. In einem künftigen gemeinsamen Cluster wollen die Universitäten ihre Kompetenzen bündeln, um die Rolle des Meeresbodens für Stoffkreisläufe und Biodiversität unter sich ändernden klimatischen Bedingungen weiter zu entschlüsseln. Ziel ist auch, wissenschaftliche Grundlagen für den Schutz und die nachhaltige Nutzung der Ozeane zu liefern.
Eine Entscheidung darüber, welche Clusteranträge erfolgreich sind, fällt im Mai 2025.  Die erfolgreichen Exzellenzcluster werden vom 1. Januar 2026 an für sieben Jahre gefördert. Universitäten, die mit zwei Exzellenzclustern erfolgreich sind oder Universitätsverbünde, die gemeinsam mit mindestens drei Exzellenzclustern erfolgreich sind, können sich im Jahr 2025 auf den Titel Exzellenz-Universität bewerben. Dafür ist ein umfassendes Zukunftskonzept für die gesamte Universität bzw. den Verbund vorzulegen.

Weitere Informationen:

https://www.dfg.de/foerderung/foerderinitiativen/exzellenzstrategie/
https://www.uni-bremen.de/humans-on-mars-initiative
https://www.marum.de/Der-Ozeanboden.html

Autorin: Christina Selzer

Die drei Pilotprojekte an der Universität Bremen eröffnen fortschrittliche Wege für eine ressourcenschonende Zukunft. Erstens soll die Herstellung von Zink-Ionen-Batterien beschleunigt werden. Die Batterien spielen eine entscheidende Rolle beim Ausbau von Solar- und Windenergie. Sie bieten eine sicherere, kostengünstigere und umweltfreundlichere Alternative zu Lithium-Ionen-Batterien, da sie auf leicht verfügbaren Ausgangsmaterialien in wässriger Lösung basieren.

Zweitens sollen Proteine für nachhaltige Futtermittel in der Aquakultur erzeugt werden. Sie sind zentral, um Fischmehl zu ersetzen und so die Überfischung natürlicher Bestände zu reduzieren. Das Verfahren benötigt keine fossilen Rohstoffe, da die Einzellerproteine mit mikrobieller Elektrosynthese aus Strom, Kohlendioxid und Abwasser gewonnen werden.

Drittens sollen neuartige Sensoren entwickelt werden. Diese gewährleisten die sichere Speicherung und den verlässlichen Transport von Wasserstoff, der ein Schlüsselfaktor für eine klimafreundlichere Mobilität und die Energiewende ist. Basierend auf organisch gemischten Halbleitern ermöglichen die hochempfindlichen Sensoren ein besonders schnelles Aufspüren von undichten Stellen und Mikrorissen.

Insgesamt gingen 18 Bewerbungen aus elf Bundesländern ein. Die Joachim Herz Stiftung möchte mit dem „innovate! Zentrum MaTeNa“ an der Universität Bremen modellhaft Transferstrukturen aufbauen und die systemisch bedingte Lücke in Innovationsketten schließen. MaTeNa steht dabei als Abkürzung für Materialien – Technologien – Nachhaltigkeit. Den erfolgreichen Antrag hatte das MAPEX Center for Materials and Processes gestellt, das an der Universität Bremen die Aktivitäten im Wissenschaftsschwerpunkt „Materialwissenschaften und ihre Technologien“ bündelt.

Vorzeigeprojekt für Transfer innovativer Forschungsergebnisse

Kathrin Moosdorf, Senatorin für Umwelt, Klima und Wissenschaft, sagte: „Die Universität Bremen forscht zum Nutzen der Gesellschaft. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler finden hier schon heute – häufig in Zusammenarbeit mit Unternehmen – praktische Lösungen für zentrale Herausforderungen unserer Zeit und unseres Alltags. Das ist Wissenstransfer at it’s best. Der Zuschlag der Joachim Herz Stiftung ist eine tolle Bestätigung dieser Arbeit aus den vergangenen Jahren. Das neue ‚innovate! Zentrum MaTeNa‘ bestärkt uns und die Universität, diesen Weg weiterzugehen und ermöglicht noch mehr Innovation aus Bremen.“

Professor Dr. Michal Kucera, Konrektor für Forschung und Transfer an der Universität Bremen: „Mit dem ‚innovate! Zentrum MaTeNa’ wird die Innovationskraft der herausragenden Materialforschung der Universität Bremen und unserer Partnereinrichtungen gebündelt, um neue Materialien und Produktionsprozesse für die nachhaltige Entwicklung unserer Gesellschaft zu suchen. So werden wir den Transfer innovativer Forschungsergebnisse in neue Lösungen für Mobilität, Energiespeicherung und Kreislaufwirtschaft stark beschleunigen können. Als Vorzeigeprojekt für Norddeutschland unterstreicht ‚MaTeNa’ die Vision der Joachim Herz Stiftung sowie das Leitprinzip der Universität Bremen: Wir wollen gesellschaftliche Verantwortung übernehmen und eine nachhaltige Zukunft durch beschleunigten Wissenstransfer mitgestalten.“

„Innovative Materialien und ihre Prozesse spielen eine Schlüsselrolle bei der Suche nach nachhaltigen Lösungen für technologische Herausforderungen,“ so Professor Kurosch Rezwan, wissenschaftlicher Leiter vom „innovate! Zentrum MaTeNa“ und Sprecher vom MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen, „Daher freue ich mich außerordentlich über diesen bedeutenden Erfolg: Mit dem ‚innovate! Zentrum MaTeNa’ wird die herausragende Grundlagenforschung vom MAPEX durch maßgeschneiderte Transferprojekte beschleunigt in die Praxis umgesetzt.“

„Das ist der bisher größte Erfolg für das MAPEX,“ freut sich auch Dr. Hanna Lührs, Wissenschaftsmanagerin am MAPEX, „Eine wirkliche Besonderheit sind die Innovationschallenges, mit denen wir aktuelle Fragestellungen aus der Industrie aufgreifen, um gemeinsam an innovativen Lösungen zu arbeiten.“

Professorin Sabine Kunst, Vorstandsvorsitzende der Joachim Herz Stiftung: „Wir möchten herausragenden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern eine ideale Umgebung bieten, um Forschungsergebnisse für Gesellschaft und Wirtschaft konkret nutzbar zu machen. Die Universität Bremen hat unsere Jury zum einen mit ihren inhaltlichen Forschungsvorhaben beeindruckt, die gegenwärtige Probleme adressieren. Zum anderen hat sie mit ihrem Vorschlag überzeugt, wie dabei eine Blaupause für einen systemischen Transfer in die Wirtschaft entstehen kann, der uns allen zugutekommt. Ich bin überzeugt, dass es uns gemeinsam gelingen wird, mit dem ‚innovate! Zentrum MaTeNa’ über Bremen hinaus für Aufmerksamkeit zu sorgen.“

Zusätzlich zu den drei Pilotprojekten möchte das „innovate! Zentrum MaTeNa“ ab 2026 weitere wegweisende Vorhaben aus dem MAPEX fördern und damit seine Rolle als Impulsgeber für Innovationen ausbauen. Das Thema Ressourcenknappheit von Material und Energie steht auch im Mittelpunkt des vom MAPEX initiierten Exzellenzclusterantrags „Die Marsperspektive: Ressourcenknappheit als Grundlage eines Paradigmas der Nachhaltigkeit“. Dieser wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft zum Vollantrag eingeladen und bietet zusätzliches Potenzial für weitere Transferprojekte im „innovate! Zentrum MaTeNa“.

Weitere Informationen

Pressemitteilung Joachim Herz Stiftung

Webseite Joachim Herz Stiftung

Fragen beantworten

Dr. Hanna Lührs und Prof. Dr. Kurosch Rezwan
MAPEX Center for Materials and Processes
Universität Bremen'
Tel. +49 421 218-64580
Email:

„Bremen ist die Technologiemetropole des Nordens“, betonte Bürgermeister Bovenschulte am Mittwoch, 29.5.2024 beim Senatsempfang im Bremer Rathaus. „Dazu haben auch Sie in den vergangenen Jahren ihren Teil beigetragen. Die Anträge für den Exzellenzwettbewerb zeichnen ein eindrucksvolles Bild: Bremen ist spitze bei Forschung und Lehre. Auch wenn nicht alle Anträge erfolgreich waren, bin ich mir sicher: Im Wettbewerb um finanzielle Unterstützung für die wissenschaftliche Arbeit können sie noch sehr wertvoll sein.“

Wissenschaft und Forschung seien schon jetzt ein zentraler Wirtschaftsfaktor im Land Bremen, so Bovenschulte weiter. Jeder zehnte Arbeitsplatz hänge am Wissenschaftssektor, 228 Millionen Euro jährliche Steuereinnahmen und eine Wertschöpfung in Höhe von 1,8 Milliarden Euro im Jahr. Bovenschulte: „Und nicht zuletzt hält die Wissenschaft unsere beiden Städte jung. Sie senkt den Altersschnitt der Bewohnerinnen und Bewohner, sie ist wirtschaftlicher Motor und sie trägt zu einer hohen Lebensqualität und einem positiven Image unserer beiden Städte bei.“

Forschungen haben gesellschaftlichen Mehrwert für das Land Bremen

Kathrin Moosdorf, Senatorin für Umwelt, Klima und Wissenschaft sagte: „Die Bewerbungen der Clusterteams im Rahmen des aktuellen Exzellenzwettbewerbs zeigen, wie stark und vielfältig die Wissenschaftslandschaft in Bremen aufgestellt ist. Dies wird auch an der gesellschaftlichen Relevanz der Forschungsthemen sichtbar – von der Bedeutung des Ozeans für den Klimawandel, dem nachhaltigen Umgang mit begrenzten Ressourcen über globale Solidarität bis hin zur Interaktion von Menschen und KI. Die Forschungen haben nicht nur einen wirtschaftlichen, sondern auch einen ganz konkreten gesellschaftlichen Mehrwert für das Land Bremen und seine Zukunft - und auch weit darüber hinaus. Allen Beteiligten möchte ich daher meinen großen Dank und Respekt für die geleistete Arbeit ausdrücken!“

Eine Universität der Zukunft gestalten

Prof. Dr. Jutta Günther, Rektorin der Universität Bremen sagte: „Wir blicken mit Stolz und Freude auf das bis hierher Erreichte und danken allen Clusterteams für das überaus hohe Engagement. Mit der Perspektive, nunmehr zwei Vollanträge einreichen zu dürfen, eröffnet sich auch die geradezu einmalige Chance, erneut den Titel Exzellenz-Universität zu erwerben. Dabei geht es uns nicht darum, Exzellenz um der Exzellenz willen zu erringen, sondern um die Chance, mit den zusätzlichen Mitteln und der Strahlkraft, eine Universität der Zukunft zu gestalten.“

Weitere Informationen:

https://www.uni-bremen.de/universitaet/hochschulkommunikation-und-marketing/pressemitteilungen/detailansicht/bremer-materialwissenschaften-nehmen-erste-huerde-auf-dem-weg-zur-exzellenzfoerderung

Zink-Ionen Batterien, so Sfiligoi, seien zu groß und schwer für Handys und Autos. Sie würden sich hingegen gut für die Speicherung von Wind- und Sonnenenergie eignen. „Zink-ion batteries,“ so Sfiligoi am Ende ihres Vortrags, „can really give us the possibility to finally stop using fossile fuels and start healing this beautiful planet, so that everybody can keep dancing.“

Sfiligoi promoviert seit zwei Jahren im Fachgebiet Energiespeicher- und Energiewandlersysteme, das im Juli 2015 im Fachbereich Produktions­technik der Universität Bremen in Kooperation mit dem Fraunhofer IFAM ins Leben gerufen wurde. Ihre im Kulturzentrum Schlachthof präsentierte Performance „Dancing with Electrons“ entwickelte sie im April 2024 bei einem vom MAPEX Center for Materials and Processes organisierten Science Slam Workshop. Bei Science Slams werden wissenschaftliche Erkenntnisse mit Requisiten, Visualisierungen und Performance-Einlagen unterhaltsam und korrekt für ein breites Publikum erklärt.

Weitere Informationen:

Pressemappe „Science Slam“

Auf der Erde atmen wir in der Regel nahezu automatisch – erst in Momenten körperlicher Anstrengung oder in überfüllten Hörsälen wird uns die Bedeutung der Luft für uns klar. Doch auf dem Mars, wo keine Atmosphäre das natürliche Atmen ermöglicht, wird die Produktion von Sauerstoff zu einer zentralen Herausforderung. Nicht nur Sauerstoff, sondern auch viele andere lebensnotwendige Ressourcen werden auf dem Mars zur Mangelware. Die Idee, alles Erforderliche für das langfristige Überleben von der Erde aus mitzubringen, mag zunächst reizvoll klingen – wie das Packen eines Rucksacks für einen Ausflug. Expert:innen winken jedoch ab: Eine solche Unternehmung ist nicht nur unwirtschaftlich, sondern für Missionen, die über ein paar Jahre hinausgehen sollen, schlicht unmöglich. Daher ist es entscheidend, Wege zu finden, um aus den natürlich vorhandenen Ressourcen auf dem Mars möglichst viel vor Ort zu produzieren. Dieser Herausforderung nehmen sich die Bremer Wissenschaftler Professor Sven Kerzenmacher vom Institut für Umweltverfahrenstechnik (IUV) und Dr. Cyprien Verseux vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) im Projekt „Sustainable bioproduction on Mars“ im Rahmen der Initiative „Humans on Mars” an.

Das Überleben beginnt mit Cyanobakterien

Die Grundlage der Forschung von Cyprien Verseux bildet die Verwendung von Cyanobakterien, einer der ältesten Lebensformen unserer Erde. Diese Organismen sind in der Lage, sich von Gasen aus der Marsatmosphäre und dem Regolith, der obersten lockeren Schicht auf dem Mars, zu ernähren und Sauerstoff zu produzieren. Das Regolith enthält Elemente wie Kalzium, Magnesium und Eisen, die das Wachstum der Bakterien anregen. Allerdings müssen diese Nährstoffe zunächst aus dem Marsboden gewonnen werden, was nicht ohne Risiken ist. Das liegt daran, dass das Regolith giftige Verbindungen, insbesondere so genannte Perchlorate, enthält. Somit ist der Marsboden sowohl eine Quelle von Nährstoffen als auch von toxischen Verbindungen und muss mit entsprechender Umsicht behandelt werden. Cyprien Verseux konnte im Laboratory of Applied Space Microbiology (LASM) im ZARM bereits nachweisen, dass das Konzept der Sauerstoffgewinnung mit Hilfe von Cyanobakterien unter Verwendung von Marsressourcen funktionieren kann und untersucht dort, wie die Bakterien entwickelt werden können, damit sie die Ressourcen des Mars optimal aufnehmen.

Eine weitere Komplexität im Umgang mit Cyanobakterien auf dem Mars besteht darin, dass sie die in der Marsatmosphäre vorhandenen Gase als Kohlenstoff- und Stickstoffquelle nutzen können, aber diese Atmosphäre – bis zu einem gewissen Grad – aufbereitet werden müsste. Verseuxs Team prüft in diesem Zusammenhang, wie Veränderungen der atmosphärischen Parameter sich auf das Wachstum der Bakterien auswirken und welcher Kompromiss zwischen geringstmöglicher Aufbereitung der Atmosphäre und effizientem Bakterienwachstum gefunden werden kann. Dies ist entscheidend, da die Aufbereitung dieser Gase mit einem Verbrauch von Ressourcen einhergeht, die bekanntlich auf dem Mars knapp sind. Verseux betont die Relevanz der umfassenden Untersuchung, um nicht nur die Machbarkeit, sondern auch die Effizienz und die Kosten abzuschätzen. „Zu wissen, dass es funktionieren kann, reicht nicht aus. Man muss wissen, wie gut es funktioniert und wie kosteneffizient das System ist ”, erklärt Verseux.

Vom Nebenprodukt zum Ressourcenschatz

Der anvisierte Forschungsansatz geht über die reine Sauerstoffproduktion hinaus. Sven Kerzenmacher, Experte für Anwendungsentwicklung und Bioelektrochemische Systeme am IUV, fokussiert sich darauf, auch die Nebenprodukte der Sauerstoffproduktion – das sind beispielsweise Phosphat und Kohlenstoffverbindungen – sinnvoll zu nutzen.

Der Wissenschaftler und sein Team vom IUV arbeiten schwerpunktmäßig an der Integration verschiedener Prozesse, die die Umwandlung der Nebenprodukte der Cyanobakterien und des Regoliths in wertvolle Sekundärprodukte wie Biotreibstoff und Biokunststoff ermöglichen. Kerzenmachers Team definiert die Merkmale und Anforderungen dieses Teils des Prozesses und optimiert die Verarbeitung der Biomasse der Cyanobakterien. Dabei behält er die gesamte Perspektive im Blick: „In unserem Fachbereich der Umweltverfahrenstechnik liegt ein besonderer Fokus auf der Analyse integrierter Prozesse. Unsere Forschung geht über die Entwicklung von Materialien und detaillierte Einblicke hinaus – wir möchten das Gesamtbild erfassen und das System ganzheitlich verstehen und gestalten. Diese umfassende Perspektive spiegelt sich auch in der Vielfalt unserer Arbeitsgruppe wider, die Forschende aus den Bereichen Mikrobiologie, Physik, Chemie und Maschinenbau vereint.“ Die Vision Kerzenmachers ist, die Biomasse in einem integrierten Prozess zu nutzen, indem sie beispielsweise in Elektrolysezellen zur Herstellung von Bio-Plastik oder Wasserstoff verwendet wird. Der organische Kohlenstoff wird aus der Mischung entfernt, und das verbleibende Produkt, eine Lösung aus Stickstoff und Phosphat, könnte wiederum als Dünger für Pflanzen in Gewächshäusern auf dem Mars dienen. Dies ist ein weiterer Schritt im Prozess für eine nachhaltige Bioproduktion auf dem Mars. Dieser Teil des Projektes wird im Schwerpunkt durch Dr. Daniel Schubert im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) verfolgt.

Eine Vision für Mars und Erde

Die Zusammenarbeit zwischen den Disziplinen und Instituten bringt Verseux und Kerzenmacher erstmalig zum gemeinsamen Arbeiten zusammen. Diese Interdisziplinarität von “Humans on Mars” schätzt Sven Kerzenmacher besonders. Er sagt: „Cyprien und ich kannten uns vorher, haben uns gegenseitig in den Laboren besucht und gesehen, dass man Überschneidungspunkte hat. Die initiale Entscheidung zusammenzuarbeiten ist dann allerdings im Rahmen der Initiative gekommen. Dadurch ist ‚Humans on Mars‘ für mich eine wunderbare Möglichkeit, mit ganz vielen Kolleg:innen zusammenzuarbeiten oder erst einmal zusammenzukommen und sich auszutauschen.“

Dieser Austausch bringt Forschende zusammen, um nicht nur Teilaspekte von Bioproduktionsprozessen zu erforschen, sondern gesamtheitlich die Schaffung eines geschlossenen Kreislaufs zu entwickeln, der den Mars als autonome Ressourcenquelle nutzt. Das Ziel der gemeinsamen Forschung ist, das Beste aus einer sehr begrenzten Anzahl von Ressourcen zu machen. In diesem Ansatz liegt das Potenzial, das durch die Erforschung des Weltraums nicht nur die Grenzen des Menschen erweitert, sondern auch Lösungen für nachhaltiges Leben auf der Erde inspiriert und sich damit den Fragen unserer Zeit widmet.

Hier geht es zum Artikel auf up2date, dem Online-Magazin der Universität Bremen.

ZDF Heute Beitrag

MAPEX Research Highlight: https://www.uni-bremen.de/mapex/forschung/research-highlights/mapex-research-highlights/a-low-pressure-n2-co2-atmosphere-is-suitable-for-cyanobacterium-based-life-support-systems-on-mars

Beteiligt sind das Deutsche Schifffahrtsmuseum (DSM) / Leibniz-Institut für Maritime Geschichte, das MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen und das Tübinger Leibniz-Institut für Wissensmedien (IWM).

Die Materialwissenschaften sind ganz nah an den Dingen – sollte man meinen. Doch das stimmt so nicht unbedingt: Tatsächlich arbeiten Materialforscher heutzutage oft gar nicht so viel an den Materialproben selbst, wie sie sich mit digitalen Bilddaten befassen, die von hochpräzisen Messgeräten ausgegeben werden. Prof. Lucio Colombi Ciacchi, Materialwissenschaftler an der Universität Bremen und ehemaliger Sprecher des MAPEX Center for Materials and Processes erklärt hierzu: „Bei der Materialcharakterisierung geht es darum, die Wahrnehmungsfähigkeit unserer Sinne mit physikalischen Methoden zu erweitern, um neue Erkenntnisse zu gewinnen. Die digitale Rekonstruktion des untersuchten Materials am Computer spielt dabei eine außerordentlich wichtige Rolle, denn nur so werden die technisch erfassten Daten auch für Menschen wirklich greifbar.“ Das verleihe einem Objekt, sei dieses eine Materialprobe im Labor oder eben ein Museumsexponat, eine ganze Palette neuer „digitaler Materialitäten“, die den Beobachtungsprozess bereichern, aber auch in bestimmte Richtungen gewollt eingrenzen können.

„Das muss Museen aufhorchen lassen“, ergänzt Prof. Ruth Schilling, wissenschaftliche Leiterin des Ausstellungs- und Forschungsbereichs am DSM: „Was bedeutet es eigentlich für die Erforschung von Objekten, wenn ich mich hier vorwiegend auf Digitalisate verlasse?“ Wenn also Museen Materialität ausstellen und der Blick der Wissenschaft auf Materialien längst ein virtueller geworden ist, dann brauche es womöglich auch virtuelle Ausstellungsformate, um der Rolle von Materialien im Museum gerecht zu werden, so Schilling. „Das bedeutet keineswegs, dass materielle Objekte dadurch ihren historischen Wert verlieren. Wichtig ist vielmehr ein klug konzipiertes Zusammenspiel aus realen Objekten und den dazu passenden digitalen Anwendungen. Dies kann vertiefte Einblicke ermöglichen und einer veränderten Mediennutzung Rechnung tragen.“

Solche Formate zu entwickeln, umzusetzen und ihre Publikumswirkung zu erforschen, ist der Gegenstand des Forschungsprojektes „Digital Materialities. Virtual and Analogue Forms of Exhibition“ kurz: DigiMat, zu dessen Durchführung dem DSM, dem MAPEX an der Uni Bremen und dem Tübinger Leibniz-Institut für Wissensmedien vom Senatsausschuss Wettbewerb der Leibniz-Gemeinschaft ab 2021 Mittel zur Verfügung gestellt werden.
Im Rahmen des Projektes sollen ausgewählte sowohl materiell wie historisch interessante Objekte aus der Sammlung des Museums mit hochmoderner Messtechnik wie CT-Scannern und Spektrographen erfasst und so auf ganz neue Art sicht- und erfahrbar gemacht werden. Bisher wurde am MAPEX mithilfe der Computertomographie eine Aufnahme von einem U-Boot-Modell aus dem DSM-Bestand angefertigt.

Die so entstandenen Digitalisate eröffnen ganz neue Möglichkeiten, Objekte zu verstehen und über sie zu sprechen – erfordert aber auch ganz neue Vermittlungsstrategien, die zum Teil erst noch entwickelt werden müssen. „Um das Potenzial von authentischen Objekten in Kombination mit ihren Digital Twins für die Wissensvermittlung voll ausschöpfen zu können, darf es zum Beispiel nicht nur ein Nebeneinander der beiden Elemente geben, sondern es müssen Vermittlungsstrategien entwickelt werden, die deutlich machen, wie beide Elemente zueinander in Beziehung stehen, damit sie sich gegenseitig erklären können“,  bemerkt Prof. Dr. Stephan Schwan, Leiter der Arbeitsgruppe „Realitätsnahe Darstellungen“ am Tübinger Leibniz-Institut für Wissensmedien.

Als Ergebnis des auf drei Jahre angelegten Verbundprojektes soll eine Wanderausstellung mit gemischten analogen und digitalen Formaten entstehen, die voraussichtlich ab 2024 gezeigt werden wird.
 
Das Leibniz-Institut für Wissensmedien (IWM)
Das Leibniz-Institut für Wissensmedien (IWM) in Tübingen erforscht, wie digitale Medien Wissens- und Kommunikationsprozesse beeinflussen und wie neue Technologien eingesetzt werden können, um diese Prozesse zu verbessern. Die grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung rückt neben institutionellen Lernfeldern wie Schule und Hochschule auch informelles Lernen im Internet, am Arbeitsplatz oder im Museum in den Fokus. Am IWM arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Disziplinen zusammen, vor allem aus der Psychologie, Kommunikationswissenschaft, Neurowissenschaft und Informatik. Das 2001 gegründete außeruniversitäre Forschungsinstitut ist Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.
 
Das MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen
MAPEX ist ein fachbereichs- und institutsübergreifendes Kompetenznetzwerk im Bereich der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Das wissenschaftliche Ziel von MAPEX ist die Erforschung und Entwicklung von Materialien und Prozessen für Anwendungen im Bereich der nachhaltigen Mobilität und Energie, inklusive der menschlichen Exploration des Weltraums. Mit ihrer Forschung in allen Disziplinen der Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie der Mathematik und Informatik streben die MAPEX-Mitglieder ein vertieftes Verständnis der Beziehungen zwischen Prozessen, Eigenschaften und Leistung von Materialien und Werkstoffen an. Die etwa 1000 im MAPEX-Verbund aktiven wissenschaftlichen und technischen Mitarbeitenden entwickeln werkstofftechnische Lösungen für die Verbesserung des Lebens von jedem Menschen.

Link zur originalen Pressemitteilung

Autarke Lebenserhaltungssysteme

Zum Mars fliegt ein Raumfahrzeug je nach Planetenkonstellation mindestens neun Monate. Neben der langen Anreisezeit machen es zudem die hohen Sicherheitsaspekte und Transportkosten schwierig, Astronautinnen und Astronauten auf dem Mars kontinuierlich mit lebenserhaltenden Verbrauchsmaterialien zu versorgen. Für eine langfristige Explorationsmission müssen also die Ressourcen auf dem Mars produziert und recycelt werden. Eine Lösung dafür wären biologische Systeme, genauer bioregenerative Lebenserhaltungssysteme (BLSS). Mit einem BLSS auf Basis von Cyanobakterien könnte die Crew auf lokale Ressourcen zurückgreifen und damit die Abhängigkeit von der Erde stark reduzieren, so Verseux.

Bekannt sind Cyanobakterien vor allem als Blaualgen, die im Sommer unsere Seen befallen. Die Bakterien, die zu ältesten Lebewesen unserer Erde gehören, passen sich vielen Extrembedingungen gut an und wachsen, indem sie Stickstoff und Kohlenstoff aus der Luft aufnehmen und dem Wasser durch z.B. Landwirtschaft zugeführte Nährstoffe entziehen. Wenn im Sommer die Rahmenbedingungen für die fälschlicherweise als Algen bezeichneten Bakterien ideal sind, vermehren sich die Bakterien. Wenn die Konzentration zu hoch ist, sind einige Arten für den Menschen ungesund, da sie bei Kontakt mit der Haut Allergien auslösen können. Auf dem Mars kommt allerdings ihr volles Potential zum Tragen, da sie durch Photosynthese Sauerstoff produzieren – ein für den Menschen überlebenswichtiges und außerhalb der Erdatmosphäre rares Gut. Diese Fähigkeit findet man zwar bei fast allen Pflanzen, aber Cyanobakterien können darüber hinaus auf Basis der Nährstoffe wachsen, die auf dem Mars vorhanden sind. Gespeist mit Marsgestein und -atmosphäre eignen sie sich als die Grundlage für ein cyanobakterien-basiertes Lebenserhaltungssystem (CyBLiSS).

Testlabor für verschiedene Atmosphären

Um sich Cyanobakterien auf anderen Planeten zu Nutzen zu machen, wird zunächst im Labor erforscht, wie sie auf unterschiedliche Umgebungsbedingungen reagieren: Es muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen marsähnlichen Bedingungen (die den Bau und Betrieb eines Kultivierungssystems erleichtern würden) und Bedingungen, die das Wachstum von Cyanobakterien am besten unterstützen. „Atmos“ (Atmosphere Tester for Mars-bound Organic Systems) ist ein atmosphärengesteuerter Unterdruck-Photobioreaktor, der im „Laboratory for Applied Microbiology“ (LASM) am ZARM entwickelt wurde. Mit Hilfe von Atmos arbeitete das Forschungsteam in den letzten Monaten daran, die optimalen atmosphärischen Bedingungen für das Wachstum der Cyanobakterien der Gattung Anabaena sp zu bestimmen und dabei zugleich die technische Umsetzbarkeit auf dem Mars zu berücksichtigen.

Die Erdatmosphäre setzt sich aus Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%) sowie jeweils einem kleinen Anteil an Argon und Kohlenstoff zusammen. Die Marsatmosphäre hingegen besteht zwar aus den gleichen Stoffen, setzt sich aber nahezu gegensätzlich zusammen, da sie hauptsächlich aus Kohlenstoff (95%) und nur kleinen Anteilen von Stickstoff und Argon besteht, sowie nur Spuren von Sauerstoff enthält. In Atmos wurden nun in verschiedenen Durchläufen die Anteile der Gase sowie der Umgebungsdruck verändert und die entsprechende Entwicklung der Bakterien beobachtet. Ziel der Untersuchungen war es, sich so weit wie möglich der Marsatmosphäre anzunähern während gleichzeitig noch ein starkes Wachstum der Cyanobakterien erhalten bleibt. Als Ergebnis ihrer Forschung der letzten Monate erhielt das Forschungsteam vielversprechende Antworten:
Hauptsächlich konnten sie nachweisen, dass sich die Cyanobakterien hervorragend vermehrten, wenn sie einer Atmosphäre ausgesetzt sind, die der Marsatmosphäre nicht unähnlich ist – und zwar sowohl im Hinblick auf die Gase (4 % Kohlenstoff; 96% Stickstoff) als auch dem atmosphärischen Druck (100 hPa). Das erreichte Wachstum hat die Erwartungen sogar deutlich übertroffen. Dies ist insofern vielversprechend, als dass es die technisch-logistische Umsetzung eines auf der Marsoberfläche befindlichen CyBLiSS erheblich erleichtert. Zum einen, da dann der Druckunterschied zwischen Innen- und Außenseite des Photobioreaktors nur gering ist und somit weniger hohe Ansprüche an die Statik der Konstruktion gestellt werden. Zum anderen, weil es möglich wäre, die benötigte Gasphase mit minimaler Verarbeitung aus der lokalen Atmosphäre zu erzeugen. Sonstige fehlende Nährstoffe für das Wachstum der Bakterien können ebenfalls vor Ort aus Marsgeröll (Regolith) gewonnen werden: Das Team zeigte, dass die Cyanobakterien in der modifizierten Atmosphäre in Wasser auf einem simulierten Marsboden ohne zusätzliche Nährstoffe wachsen konnten. Als weiteres Forschungsergebnis haben die Untersuchungen der entstandenen Biomasse gezeigt, dass diese als Substrat für nachfolgende Module von Lebenserhaltungssysteme geeignet ist, um auf dem Mars weitere Ressourcen zu generieren.

Erfolgsversprechende Ergebnisse

Das Forschungsteam vom ZARM freut sich darüber, dass die atmosphärischen Bedingungen, die die technische und logistische Machbarkeit von Cyanobakterien-Kultursystemen auf dem Mars verbessern, die von der Biologie diktierten Anforderungen erfüllen können. Damit rückt die Umsetzung eines CyBLiSS weiter ins Zentrum der potentiellen Mars-Lebenserhaltungssysteme bei zukünftigen Mars-Missionen. Mit diesen ersten Ergebnissen beginnt die Arbeit im LASM allerdings erst so richtig. In den nächsten Monaten werden Cyprien Verseux und sein Team das CyBLiSS-Design verfeinern, um sowohl die Fähigkeiten, Cyanobakterien auf dem Mars zu züchten, als auch ihre Verwendung zur Produktion von Nährstoffen für biologische Organismen in nachfolgenden BLSS-Modulen zu verbessern.

Link zur Pressemitteilung: https://www.zarm.uni-bremen.de/de/presse/einzelansicht/article/staying-long-term.html

MAPEX Research Highlight: https://www.uni-bremen.de/en/mapex/research/research-highlights/mapex-research-highlights/a-low-pressure-n2-co2-atmosphere-is-suitable-for-cyanobacterium-based-life-support-systems-on-mars

associated with MAPEX Research Highlight 07-2020:

Wet-spinning of magneto-responsive helical chitosan microfibers

Authors:

Brüggemann, D., Michel, J., Suter, N., Grande de Aguiar, M., Maas, M.

Journal:

Beilstein J. Nanotechnol. (2020) 11, 991.

associated with MAPEX Research Highlight 08-2020:

Controlled Laser-Thinning of MoS₂ Nanolayers and Transformation to Amorphous MoO_x for 2D Monolayer Fabrication

Authors:

Tessarek, C., Gridenco, O., Wiesing, M., Müssener, J., Figge, S., Sebald, K., Gutowski, J., Eickhoff, M.

Journal:

ACS Applied Nano Materials (2020) 3, 7490.

associated with MAPEX Research Highlight 10-2020:

Influence of plasmon excitations on atomic-resolution quantitative 4D scanning transmission electron microscopy

Authors:

Beyer, A., Krause, F. F., Robert, H. L.,Firoozabadi, S., Grieb, T., Kükelhan, P., Heimes, D., Schowalter, M., Müller-Caspary, K., Rosenauer, A., Volz, K.

Journal:

Scientific Reports (2020) 10, 17890.

associated with MAPEX Research Highlight 11-2020:

Deconfinement of Mott localized electrons into topological and spin–orbit-coupled Dirac fermions

Authors:

Pizarro, J. M., Adler, S., Zantout, K., Mertz, T., Barone, P., Valentí, R., Sangiovanni, G., Wehling, T. O.

Journal:

npj Quantum materials (2020) 5, art. No. 79.

associated with MAPEX Research Highlight 02-2020:

nsCouette – A high-performance code for direct numerical simulations of turbulent Taylor–Couette flow

Authors:

López, J. M., Feldmann, D., Rampp, M., Vela-Martín, A., Shi, L., Avila, M.

Journal:

SoftwareX (2020) 11, 100395.

Zum Download des Magazin oder zur Online Version des Artikels.

associated with MAPEX Research Highlight 01-2020:

Model‐Based Nanoengineered Pharmacokinetics of Iron‐Doped Copper Oxide for Nanomedical Applications

Authors:

Naatz, H., Manshian, B. B., Luci, C. R., Tsikourkitoudi, V., Deligiannakis, Y., Birkenstock, J., Pokhrel, S., Mädler, L., Soenen, S. J.

Journal:

Angew. Chem. Int. (2020) Ed.59, pp. 1828-1836.

Photochemische Prozesse spielen in der Natur und Technik eine große Rolle: Absorbieren Moleküle Licht, gehen ihre Elektronen in einen angeregten Zustand über. Dieser Übergang löst extrem schnelle molekulare Schaltprozesse aus. Im menschlichen Auge zum Beispiel dreht sich das Molekül Rhodopsin nach Absorption eines Lichtteilchens auf eine bestimmte Art und löst damit letztlich ein elektrisches Signal aus – der elementarste Schritt des Sehvorgangs.

Der Grund hierfür sei die besondere Eigenschaft der Rhodopsin-Moleküle, erläutert Professor Christoph Lienau, Leiter der Arbeitsgruppe Ultraschnelle Nano-Optik und Ko-Autor der Studie: „Der Drehprozess läuft immer ähnlich ab, obwohl es aus quantenmechanischer Sicht viele unterschiedliche Möglichkeiten für die molekulare Bewegung gibt.“ Der Grund hierfür ist, dass sich das Molekül bei dem Drehprozess durch eine konische Durchschneidung hindurchbewegen muss, wie ein Forscherteam im Jahr 2010 im Sehpigment experimentell zeigte: „Dieser quantenmechanische Mechanismus funktioniert wie eine Einbahnstraße im Molekül: Er leitet die Energie mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit in eine bestimmte Richtung“, erläutert Lienau.

Eine solche Einbahnstraße für Elektronen haben die Forscher um Frauenheim und De Sio nun in einem Nanomaterial beobachtet, das Kollegen der Universität Ulm hergestellt haben und das bereits in organischen Solarzellen verwendet wird. „Das Besondere ist, dass wir erstmals experimentell konische Durchschneidungen zwischen nebeneinander liegenden Molekülen nachgewiesen und theoretisch nachvollzogen haben“, erläutert Erstautorin De Sio. Bisher hatten Physiker weltweit das quantenmechanische Phänomen nur innerhalb eines Moleküls beobachtet und lediglich spekuliert, dass es konische Überschneidungen auch zwischen nebeneinanderliegenden Molekülen geben könnte.

Ultraschnelle Laserspektroskopie genutzt

Das Team hat die Einbahnstraße für Elektronen mit Methoden der ultraschnellen Laserspektroskopie entdeckt. Dabei beleuchten die Wissenschaftler das Material mit nur wenige Femtosekunden kurzen Laserimpulsen. Eine Femtosekunde entspricht dem Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Die Methode ermöglicht den Forschern, eine Art Film von den Prozessen aufzunehmen, die direkt nach dem Eintreffen des Lichts auf dem Material ablaufen. Dabei konnten die Forscher verfolgen, wie sich Elektronen und Atomkerne durch eine konische Durchschneidung hindurchbewegten.

Die Wissenscahftlerinnen und Wissenschaftler fanden heraus, dass eine besonders starke Kopplung zwischen den Elektronen und bestimmten Schwingungsbewegungen des Atomkerns dazu beiträgt, Energie wie auf einer Einbahnstraße von einem Molekül zu einem anderen zu übertragen. Genau das passiert bei der konischen Durchschneidung, die die Forscher damit dingfest machen. „In dem von uns untersuchten Material lagen nur etwa 40 Femtosekunden zwischen der allerersten optischen Anregung und dem Durchtritt durch die konische Durchschneidung“, sagt De Sio.

Um ihre experimentellen Beobachtungen zu bestätigen, arbeiteten die Oldenburger neben den theoretischen Physikern der Universität Bremen mit weiteren Kooperationspartnern des Los Alamos National Laboratory, New Mexiko, USA, und des CNR-Nano, Modena, Italien, zusammen. „Diese haben mit ihren Berechnungen eindeutig gezeigt, dass wir unsere experimentellen Daten richtig gedeutet haben“, erläutert De Sio.

Zwar können die beteiligten Forscher die genaue Wirkung und das technologische Potenzial dieser quantenmechanischen Einbahnstraßen auf Nanostrukturen noch nicht im Detail abschätzen. Langfristig könnten die neuen Erkenntnisse aber dabei helfen, Materialien für organische Solarzellen oder optoelektronische Bauteile besser maßzuschneidern und deutlich effizienter als bisher zu machen oder künstliche Augen aus Nanostrukturen zu entwickeln.

Link zur Publikation in Nature Nanotechnology: doi.org/10.1038/s41565-020-00791-2

Constanze Böttcher
 

Fragen beantworten:

Prof. Dr. Thomas Frauenheim
Bremen Center for Computational Materials Science (BCCMS)
Universität Bremen
Tel.: +49 421 218 62340
E-Mail: thomas.frauenheim@bccms.uni-bremen.de

Dr. Antonietta De Sio
Universität Oldenburg
Tel.: +49 441 798-3490
E-Mail: antonietta.de.sio@uol.de

Pressemitteilung der Universität Bremen : https://www.uni-bremen.de/universitaet/hochschulkommunikation-und-marketing/aktuelle-meldungen/detailansicht/einbahnstrasse-fuer-elektronen

MAPEX Reserach Highlight: https://www.uni-bremen.de/mapex/forschung/research-highlights/mapex-research-highlights/intermolecular-conical-intersections-in-molecular-aggregates

In den Schwerpunktprogrammen sollen wissenschaftliche Grundlagen besonders aktueller oder sich gerade bildender Forschungsgebiete untersucht werden. Alle Programme sind stark interdisziplinär ausgerichtet und zeichnen sich durch den Einsatz innovativer Methoden aus. Die Förderung wird zunächst über drei Jahre erfolgen, bei einer Gesamtlaufzeit von sechs Jahren.

Verfahrenstechnik: Maßgeschneiderte Mischungen heterogener Pulver

Das neue Programm „Gestaltung von Synergien in maßgeschneiderten Mischungen heterogener Pulver“ zielt auf die Entwicklung von anwendungsorientierten Partikelsystemen durch die kontrollierte, prozesssichere und steuerbare Einstellung von partikulären Aggregatsystemen. Der Fokus soll dabei auf Gasphasenprozessen liegen, weil diese in besonderem Maße geeignete Prozessteuerungen für neuartige, reine Materialsysteme zulassen.

Das SPP wird mit rund 20 wissenschaftlichen Teilprojekten gefüllt, die die Expertisen verschiedener transdisziplinärer Forschungsrichtungen – etwa aus der Verfahrens-, Prozess- und Strömungstechnik, den Mess- und Charakterisierungstechniken, der Modellierung und Simulation sowie der Anwendungstechnik beispielsweise in der Energiewandlung und -speicherung und der Materialsynthese zusammengeführt.

Weitere Informationen:

Pressemitteilungen von DFG, Leibniz IWT und Universität Bremen:

https://www.dfg.de/service/presse/pressemitteilungen/2020/pressemitteilung_nr_19/index.html

https://www.iwt-bremen.de/de/media/news/detail/die-vt-und-der-mvt-der-universitaet-bremen-koordinieren-neues-schwerpunktprogramm-der-dfg-spp-2289

https://www.uni-bremen.de/universitaet/hochschulkommunikation-und-marketing/aktuelle-meldungen/detailansicht/universitaet-doppelt-erfolgreich-zwei-neue-dfg-schwerpunktprogramme

Fragen beantworten:

Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Mädler

Universität Bremen

Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT

E-Mail: lmaedler@iwt.uni-bremen.de

Tel.: +49 421 218-51200

„Pulsierende Strömungen durch Rohrgeometrien sind bei moderaten Geschwindigkeiten laminar.“ So beginnt die Zusammenfassung der wissenschaftlichen Arbeit, die nun in einem der weltweit renommiertesten Wissenschaftsjournale erschienen ist. Gemeint ist damit, dass in einer Flüssigkeit keine Verwirbelungen entstehen, wenn sie ausreichend langsam durch ein Rohr gepumpt wird. Generell sind pulsierende Strömungen zwar turbulenzanfälliger als stetig fließende Strömungen, dennoch ist man bislang davon ausgegangen, dass aufgrund der geringen Geschwindigkeit und der hohen Zähigkeit (Viskosität) des Blutes im menschlichen Kreislaufsystem keine Turbulenzen entstehen.

Dr. Duo Xu hingegen hat nun nachgewiesen, dass ein turbulenzfreies Strömungsverhalten nur im Idealzustand immer erreicht wird. Die zentrale Erkenntnis des Forschungsteams ist, dass pulsierende Strömungen sehr empfindlich auf geometrische Störungen reagieren und dadurch schon bei einer niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit turbulent werden, als es bei einem nicht-pulsierenden, konstanten Massestrom der Fall wäre. Übertragen auf den menschlichen Blutstrom heißt das, dass Verwirbelungen viel häufiger auftreten als anhand der klassischen Strömungsmechanik-Theorie zu erwarten wäre, da in menschlichen Blutbahnen häufig Krümmungen, Unebenheiten oder auch Verengungen – z.B. durch arteriosklerotische Läsionen („Arterienverkalkung“) – vorkommen.

Der experimentelle Nachweis

Das Forschungsteam hat sowohl theoretisch, anhand von Simulationen, als auch experimentell nachgewiesen, dass Blutbahnen mit geometrischen Unregelmäßigkeiten Turbulenzen auslösen. In den Experimenten ist deutlich sichtbar, wie in der Phase, in der sich der pulsierende Blutstrom verlangsamt, an diesen kritischen Bereichen Verwirbelungen entstehen, die sich rasch zu einer Turbulenz ausweiten. Erst durch die erneute Beschleunigung mit dem nächsten Herzschlag beruhigt sich die Strömung wieder: sie wird laminar. Das bedeutet, dass in nicht ideal geformten Blutgefäßen in jedem einzelnen Pulszyklus eine Störung des Blutstroms auftreten kann.

Warum sind Turbulenzen gesundheitsgefährdend?

Die Innenwand der Blutgefäße, das Endothel, reagiert sehr sensibel auf Scherspannungen. Scherspannung bezeichnet in diesem Fall die Reibung, die durch den Blutdurchfluss an der Innenseite der Blutgefäße entsteht. Im Normalfall sind die Endothelzellen auf einen gleichmäßigen Durchfluss in eine Richtung eingestellt. Wenn nun in jedem Pulszyklus eine Turbulenz mit entsprechenden Scherspannungsschwankungen und einer Strömungsumkehr auftritt, kann das zelluläre Dysfunktionen auslösen, die zu einer Entzündung des Endothels und langfristig zu Arteriosklerose führen können.

Für Menschen mit kardiovaskulären Vorerkrankungen bedeutet das Forschungsergebnis, dass sie durch das Auftreten von Turbulenzen an bestehenden Unebenheiten oder Verengungen in den Blutgefäßen einem erhöhten Risiko zur Entstehung oder Fortschreitung von Arteriosklerose ausgesetzt sind. Doch auch bei gesunden Menschen können Turbulenzen auftreten, was uns eindrücklich die hohe Komplexität und Sensibilität unseres Blutkreislaufsystems verdeutlicht – und auch, dass die Forschung hier noch nicht abgeschlossen ist.

Die Forschung wurde von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des „Institute of Science and Technology Austria“, dem Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen, der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg und dem „Center for Applied Mathematics“ der Tianjin University durchgeführt. Die Experimente wurden am „Institute of Science and Technology Austria“ unter Professor Björn Hof durchgeführt, die Simulationen in der Forschungsgruppe von Professor Marc Avila im ZARM.

Weitere Informationen:

https://www.zarm.uni-bremen.de/de/presse/einzelansicht/article/more-turbulant-than-expected.html

Wissenschaftliche Fragen beantworten:

Dr. Duo Xu
Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
Universität Bremen
E-Mail: duo.xu@zarm.uni-bremen.de

Prof. Dr. Marc Avila
Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
Universität Bremen
E-Mail: marc.avila@zarm.uni-bremen.de

Presseanfragen beantwortet:

Birgit Kinkeldey
Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
Universität Bremen
E-Mail: birgit.kinkeldey@zarm.uni-bremen.de
Tel. (+49) 0151 23684370

„Deep Learning“, was auf Deutsch etwa „tiefes Lernen“ oder „vielschichtiges Lernen“ bedeutet, ist ein hochinteressanter Teilbereich der Künstlichen Intelligenz. „Letztlich bezeichnet dieser Begriff eine Technik zum maschinellen Lernen, die durch das Netzwerk von Neuronen im menschlichen Gehirn inspiriert ist“, sagt Dr. Jens Behrmann, Leiter des Arbeitsbereichs Deep Learning der AG Technomathematik im gleichnamigen Zentrum an der Universität Bremen. Was die Forschung auf diesem Gebiet angeht, ist die Expertise der Bremer Uni-Mathematiker sehr gefragt: Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und die Klaus-Tschira-Stiftung fördern das Zentrum für Technomathematik (ZeTeM) jetzt mit insgesamt zwei Millionen Euro. In sieben Projekten – angesiedelt in der ZeTeM-Arbeitsgruppe von Professor Peter Maaß – soll mathematische KI-Grundlagenforschung mit konkreter industrieller Anwendbarkeit verbunden werden.

Informationen erkennen und interpretieren

„Beim Deep Learning geht es darum, dass Maschinen Kompetenzen erlernen, und zwar in der gesamten Verarbeitungskette vom Erkennen der Rohinformationen bis zur Interpretation und dem Treffen einer Aussage“, erläutert Dr. Lena Hauberg-Lotte, die ebenfalls im Deep Learning-Bereich arbeitet. „Einfacher ausgedrückt: Die KI wird beispielsweise mit Bildern gefüttert – etwa von einem Verkehrsschild mit chinesischen Schriftzeichen – und liefert dann prompt die deutsche Übersetzung.“ Was heute mit Anwendungen wie dem Google Translator oder dem Übersetzungsprogramm DeepL praktisch reibungslos klappt, fußt auf jahrelangen intensiven KI-Forschungen, auch und gerade von Mathematikerinnen und Mathematikern.

Die Erfolge von Deep Learning sind seit einigen Jahren spürbar und in den Alltag eingezogen – neben der Sprach- und Bildererkennung auch bei der Navigation oder Übersetzungen. Doch die Entwicklung geht unaufhaltsam weiter, „und an einer entscheidenden Stelle mittendrin ist immer die Mathematik mit ihren Algorithmen. Die werden immer spezieller, je schwieriger die Fragestellungen und Anwendungen werden“, so Jens Behrmann. „Damit KI beispielsweise zuverlässig als Assistenz in der Medizin eingesetzt werden kann, müssen die Algorithmen zu 100 Prozent fehlerfrei funktionieren.“ Die Stärken und Schwächen von KI-Lösungen würden sich gerade mit der Sprache der Mathematik sehr gut beschreiben lassen – eine Spezialität des ZeTeM.

Sieben Projekte mit zahlreichen Partnern

Die Bandbreite möglicher KI-Anwendungen ist riesig und wird das menschliche Leben umfassend beeinflussen und verändern. Die Expertise der Bremer Technomathematiker fließt nun in sieben neue Projekte ein, die gemeinsam mit weiteren Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft bearbeitet werden. Zu den Industriepartnern gehören unter anderem EWE, Siemens, Engineering System International, die Deutsche Bahn, Bruker Daltonik, ProteoPath, ProCon X-Ray, atacama blooms und Volkswagen. Zwei Beispiele:

• Im Projekt AGENS („Analytisch-generative Netzwerke zur Systemidentifikation“) arbeitet das Technomathematik-Team gemeinsam mit den Industriepartnern EWE und Siemens sowie Wissenschaftspartnern aus Kaiserslautern und Aschaffenburg an der Voraussage von künftigen Strombedarfen. „Hintergrund ist, dass der regionale Stromanbieter EWE mit Sitz in Oldenburg täglich den voraussichtlichen Strombedarf seiner mittelständischen Kunden bei den Netzbetreibern anmelden muss“, erläutert Jens Behrmann. „Das sind mehrere tausend Unternehmen und mehrere Gigawatt, um die es geht.“ Aufgrund des immer größeren Anteils erneuerbarer Energie ist der Strommarkt sehr schwankend geworden, so dass für einen sicheren Betrieb möglichst genaue Hochrechnungen erforderlich sind. Dazu werden im Projekt AGENS neue KI-Modelle entwickelt, die unzählige Daten aus Vergangenheit und Zukunft (etwa bisheriger Verbrauch, Wettervorhersage, Lastspitzen) miteinander verknüpfen und daraus eine belastbare Prognose ableiten.

Wie KI Ärzte bei der Krebsdiagnose entlastet

• In einem Vorhaben mit dem Namen SPA+ („Small Data Probleme in der digitalen Pathologie und programmbegleitende Maßnahmen“) geht es um verschiedene Ansätze, bei der KI in der Krebsdiagnostik als Assistenzsystem für Ärztinnen und Ärzte in der digitalen Pathologie wirken soll. „Momentan beurteilen die Ärzte die hochaufgelösten digitalen Bilder von entnommenem Gewebe in der Regel auf sehr großen Bildschirmen oder direkt unter dem Mikroskop – eins nach dem anderen, den ganzen Tag“, so Lena Hauberg-Lotte. Eine aufwändige und ermüdende Arbeit. KI-Programme sollen dabei helfen, die für die Beurteilenden wichtigen Bereiche herauszufiltern. „Hier geht es darum, die Routine durch KI erledigen zu lassen. Die Expertinnen und Experten erhalten so mehr Zeit für die eigentliche Sichtung und Einschätzung der kritischen Erkrankungen.“ Projektpartner sind bei SPA+ das Bremer Unternehmen Bruker Daltonik, die Firma ProteoPath aus Trier und die Universitäten Oldenburg und Siegen.

Weitere Informationen:

www.math.uni-bremen.de/zetem/cms/detail.php?template=ag_projekte&id=4350
www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

(aufgrund der derzeitigen gesellschaftlichen Situation bitte zunächst per E-Mail Kontakt aufnehmen)

Dr. Jens Behrmann
Zentrum für Technomathematik (ZeTeM)
Universität Bremen
E-Mail: jensb@math.uni-bremen.de

associated MAPEX with Research Highlight-12-2019: 

Beating Thermal Coarsening in Nanoporous Materials via High-Entropy Design

Authors:

Soo-Hyun Joo,* Jae Wung Bae, Won-Young Park, Yusuke Shimada, Takeshi Wada, Hyoung Seop Kim, Akira Takeuchi, Toyohiko J. Konno, Hidemi Kato,* and Ilya V. Okulov

Journal:

Advanced Materials 2019, 1906160.

Bessere Daten machen Anlagen effektiver

„Auf der einen Seite werden wir die Entwicklung des neuartigen Messsystems mit hochwertigen Simulationen begleiten und unterstützen. Auf der anderen Seite werden wir unsere hocheffizienten Simulationsmodelle mit Hilfe der Messdaten am realen System weiter validieren“, erklärt ForWind-Wissenschaftler Dr. Cristian Gebhardt vom Institut für Statik und Dynamik (ISD) an der Leibniz Universität Hannover. Mit den Erkenntnissen aus dem Projekt ließen sich die Eigenschaften von Rotorblättern besser nachvollziehen, Windenergieanlagen effektiver betreiben und die Kosten für Windstrom nachhaltig senken. So könne das mobile Messsystem zukünftig beispielsweise für Wartungszwecke eingesetzt werden, ohne dass die Anlage dafür abgeschaltet werden muss.

ForWind bündelt Forschung

ForWind ist das gemeinsame Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg, Hannover und Bremen und bündelt die Windenergieforschung im Nordwesten in einem bundesweit einmaligen Forschungsverbund. In PreciWind arbeiten die beiden ForWind-Mitglieder BIMAQ und ISD eng mit dem Dresdner Hersteller von Infrarotsensorik und Messtechnik InfraTec GmbH, dem Bremer Hersteller von Laserbasierten Sensoranwendungen LASE GmbH und der Bremerhavener Deutsche WindGuard Engineering GmbH zusammen.

Weitere Informationen:

www.forwind.de

www.bimaq.de/

www.isd.uni-hannover.de

Fragen beantwortet:

Daniel Gleichauf

Universität Bremen

Bremer Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ)

Telefon: (+49) 421 218-646 39

E-Mail: d.gleichaufbimaq.de

In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden zunehmend hybride Werkstoffe eingesetzt. Denn die Verbundwerkstoffe bieten besondere Funktionseigenschaften, die die steigenden technischen und wirtschaftlichen Anforderungen dieser Industriezweige abdecken. Verbundmaterialien aus faserverstärkten Kunststoffen mit Metallfolien – sogenannte Faser-Metall-Laminate – weisen aufgrund ihrer hybriden Struktur signifikante Vorteile gegenüber Aluminium auf, welches nach wie vor den Standardwerkstoff in der Luftfahrtbranche darstellt. Aus diesem Grund werden Faser-Metall-Laminate zunehmend an Flugzeugteilen verbaut, die besonders anfällig für Einschläge wie beispielsweise Vogelschlag sind. Dabei können Schäden wie das Ablösen von Verklebungen, sogenannte Delaminationen, sowie von außen nicht sichtbare Risse entstehen.

Lange Vorbereitungszeit für das neue Projekt

Um entstehende Schäden in solchen hybriden Werkstoffen besser verstehen und sicher diagnostizieren zu können, widmet sich seit Kurzem eine neu eingerichtete DFG-Forschungsgruppe FOR3022 „Ultrasonic Monitoring of Fibre Metal Laminates Using Integrated Sensors“ der Untersuchung, Charakterisierung und Diagnostik von Schäden in Faser-Metall-Laminaten. Dem nun realisierten Forschungsvorhaben geht eine lange Vorbereitungsphase voraus. Die initialen Ideen für das Großprojekt entstanden im Rahmen der ehemaligen zentralen wissenschaftlichen Einrichtung „Integrated Solutions in Sensorial Structure Engineering - ISIS“ der Universität Bremen.

Der Forschungsverbund widmet sich in einer ersten Phase drei Jahre lang diesem Vorhaben. Gefördert wird die Forschungsgruppe von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit einem Fördervolumen von 2,7 Millionen Euro. An dem Forschungsvorhaben sind in Bremen neben dem Leibniz-IWT die Universität Bremen mit dem Fachbereich Informatik (PD Dr. Stefan Bosse) und Elektrotechnik (Professor Walter Lang) sowie das Faserinstitut (Professor Axel Herrmann), das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Helmut-Schmidt-Universität Hamburg (HSU) beteiligt. Professor Michael Sinapius vom Institut für Adaptronik und Funktionsintegration an der TU Braunschweig koordiniert das Vorhaben.

Jeder Schaden hinterlässt seinen Fingerabdruck

„Mit der neuen Forschungsgruppe wollen wir neue Erkenntnisse über die Wechselwirkungen von Impact-Schäden und Ultraschallwellen in Faser-Metall-Laminaten gewinnen“, so Axel von Hehl, Leiter der Abteilung Leichtbauwerkstoffe am Leibniz-IWT und Mitglied des MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen. „Ziel der ersten Phase ist insbesondere die Schadenscharakterisierung. Das heißt: Wir wollen den Fingerabdruck eines spezifischen Schadens erfassen und identifizieren.“ Solche Schäden verändern die Ausbreitung von Ultraschallwellen, die zur Schadensdetektion genutzt werden sollen. Dabei kommen – anders als in der Medizin- oder Diagnosetechnik – sogenannte geführte Ultraschallwellen zum Einsatz. Diese breiten sich in dünnwandigen Bauteilen, wie Flugzeugrumpfhäuten aus. Um zu wissen, um welche Schadensklassen es sich in jedem Einzelfall genau handelt, setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das am MAPEX Center verfügbare hochauflösende Röntgen-Mikroskop ein. Anhand einer Zuordnung der Schadensklassen zu den gemessenen Ultraschallsignalen wird das Ultraschallprüfverfahren so lange trainiert, bis mit ihm eine zuverlässige Schadensidentifikation möglich wird.

Ein Diagnosesystem für Impact-Schäden

Um später eine Schadensüberwachung im Betrieb zu ermöglichen, beschäftigen sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zudem mit der Integration von Sensoren in den Werkstoff. Diese sollen im Betrieb sogenannte Impact-Schäden erkennen und charakterisieren und somit Informationen über das Ausmaß eines Schadens geben. „Die Informationen müssen dabei aus einer großen Menge an Rohdaten gewonnen und abgeleitet werden, was nur noch durch automatisierte Verfahren und durch den Einsatz der Methoden der Künstlichen Intelligenz realisiert werden kann“, wie Privatdozent Stefan Bosse aus der Informatik erklärt.

In einer möglichen zweiten dreijährigen Förderphase der Forschungsgruppe sollen die bis dahin gewonnenen Erkenntnisse der Schadenscharakterisierung in Untersuchungen der Schadensentwicklung einfließen. Dadurch ließen sich genauere Aussagen über das Ausmaß eines Schadens und den daraus resultierenden Handlungsbedarf treffen. Auf dieser Grundlage sollen die eingebauten Sensoren langfristig als sicheres Diagnosesystem für Impact-Schäden am Flugzeug eingesetzt werden.

Fragen beantwortet:

Carolin Haller M.A.
Leiterin Wissenschaftskommunikation
Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - IWT
Telefon (+49) 421 218-51374
E-Mail: haller@iwt-bremen.de

Carolin Haller

Professor Carsten Lutz vom Fachbereich Mathematik und Informatik wird in dem Ranking gleich in zwei Bereichen geführt: Im „Knowledge Engineering“ – der Wissensverarbeitung – erreicht er Platz 30, in der fachübergreifenden Rubrik „AAAI/IJCAI“ den Platz 94. Die Rubrik „AAAI/IJCAI“ wurde nach den beiden größten internationalen KI-Konferenzen benannt. Auch Professor Rolf Drechsler, Dekan des Fachbereichs Mathematik und Informatik, und Dr. Moritz Tenorth vom Institut für Künstliche Intelligenz sind in den Kategorien Chip-Technologie beziehungsweise Robotik vertreten. Alle vier arbeiten im SFBEASE mit.

Bei der Nachwuchsförderung erzielt die Universität Bremen im KI-Bereich ebenfalls herausragende Ergebnisse: Drei ehemalige Doktoranden von Professor Beetz haben es in der Kategorie Robotik auf die Liste geschafft: Es sind Dr. Radu Rusu (Platz 2), Dr. Nico Blodow (Platz 22) und Dr. Moritz Tenorth (Platz 87).

Bremer Besonderheit: Forschende betrachten Robotik und KI ganzheitlich

„Das gute Abschneiden beruht unter anderem auf der langfristigen Blickrichtung der Bremer KI-Forscherinnen und -Forscher“, erklärt Beetz. So gehe es ihnen darum, wichtige Probleme mit langem Atem zu lösen. „Zu den Besonderheiten bei uns zählt der ganzheitliche Ansatz, mit dem wir Robotik und Künstliche Intelligenz betrachten“, erklärt er. „Wir kombinieren die klassischen Methoden der KI mit den sehr starken neuen Methoden wie dem maschinellen Lernen, um Systeme robuster zu machen.“ Ein Ziel sei es dabei auch, die KI-Systeme so zu gestalten, dass ihr Vorgehen jederzeit verständlich und erklärbar ist – im Gegensatz zu „Black-Box-Systemen“, deren Entscheidungsprozesse nicht nachvollzogen werden können, so Beetz.

Bremen international gut aufgestellt

Der Standort Bremen ist in der KI-basierten Robotik international gut aufgestellt: Die interdisziplinäre Grundlagenforschung im Sonderforschungsbereich EASE wird durch die anwendungsorientierte Forschung des Deutschen Forschungszentrums für künstliche Intelligenz (DFKI) und das Knowledge4Retail-Konsortium ideal ergänzt. Das DFKI ist in der Weltraum- und Unterwasserrobotik führend. Das Knowledge4Retail-Konsortium zählt zu den Siegern des Innovationswettbewerbs Künstliche Intelligenz, der vom Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi) im vergangenen Jahr ausgetragen wurde.

Hintergrundinformationen zum Ranking

Die Tsinghua University setzt zur Erstellung des Rankings den „ArnetMiner“ ein – dabei handelt es sich um einen sogenannten „Data Mining“-Service, der große Mengen von wissenschaftlichen Daten auswertet. Entwickelt wurde er im Rahmen eines Forschungsprojekts; seit drei Jahren befindet er sich im operativen Einsatz. ArnetMiner ermöglicht beispielsweise die Suche nach Expertinnen und Experten in einem Fachgebiet, aber auch die Analyse von Netzwerken zwischen Wissenschaftlern sowie die Einschätzung des Einflusses ihrer wissenschaftlichen Arbeiten auf das jeweilige Feld. Mittlerweile hat das System mehr als 130 Millionen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, 270 Millionen Veröffentlichungen und 750 Millionen Zitierungen indiziert.

Erinnerung an die Redaktionen:

Am Donnerstag, 13. Februar 2020, besteht um 11 Uhr die Möglichkeit, Professor Beetz und die Forschungen des Knowledge4Retail-Konsortiums im Rahmen eines Pressegesprächs kennenzulernen. Darüber hinaus wird eine Führung im KI-Labor mit Demonstration einer Anwendung im Drogeriemarkt angeboten. Unter dem Titel „Künstliche Intelligenz im Einzelhandel" laden die Universität Bremen und team neusta in das Institut für Künstliche Intelligenz ein (Am Fallturm 1, 28359 Bremen, Eingang B). Die Einladung an die Medien war bereits erfolgt. Kontakt: Sabine Veit, Telefon: 0421-218-64005, E-Mail:

Weitere Informationen:

https://ease-crc.org
https://knowledge4retail.org
www.uni-bremen.de/fb3/
https://robotik.dfki-bremen.de
 

Das Ranking der bestplatzierten deutschen KI-Wissenschaftler ist hier zu finden:
www.aminer.cn/ai2000/country/Germany

Website des Rankings für den Bereich Robotik:
www.aminer.cn/ai2000/robotics

Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Michael Beetz
Institut für Künstliche Intelligenz
Universität Bremen
Telefon: +49-421 218-64001
E-Mail:

Neue Materialien, neue Eigenschaften

Die neue LMD-Anlage bietet den Materialwissenschaftlern ganz neue Möglichkeiten zur Erforschung neuer metallischer Werkstoffe: Gleich mehrere Pulverförderer kommen parallel zum Einsatz, um verschiedene Metalle in einem Arbeitsgang zu nutzen und schnell viele verschiedene Proben herstellen zu können. So werden effizient völlig neuartige Legierungen mit bisher unerreichten Eigenschaften entwickelt und hergestellt oder Verbundmaterialien gedruckt. Vollgepackt mit modernster Messtechnik liefert die Hightech-Anlage Daten zum wissenschaftlichen Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse beim Pulvermischen und -fördern, dem eigentlichen Laser-Auftragschweißen und einer in-situ-Wärmebehandlung. Ziel der Bremer Wissenschaftler ist die Nutzung und Evaluation der neuen Möglichkeiten dieser 3D-Drucktechnologie für eine schnelle, zielgerichtete Materialentwicklung.

Spitzenforschung am Standort Bremen

„Wir erbringen in vielen Bereichen exzellente Spitzenforschung – auch in den Materialwissenschaften, wie dieser Erfolg belegt. Die neue hochmoderne Anlage wird die Bremer Materialforschung ein großes Stück voranbringen und die Zusammenarbeit über die Grenzen der Institutionen hinweg fördern, ganz im Sinne unserer kooperativen Universität“, freut sich der Rektor der Universität Bremen, Professor Bernd Scholz-Reiter.

Das bestätigt auch MAPEX Sprecher Professor Kurosch Rezwan: „Die Erforschung neuer Materialien und Technologien in der Materialbearbeitung ist ein wichtiger Baustein auf dem Weg in eine material- und energieeffizientere Zukunft. Bei der Menge an Prozessen und Daten, die wir inzwischen abbilden können, wird der interdisziplinäre Austausch immer wichtiger.“

Das MAPEX Center for Materials and Processes unterstützt seit 2014 die Zusammenarbeit verschiedener Fachbereiche der Universität und außeruniversitärer Forschungsinstitute. Neben dem geplanten Großgerätezentrum für die Materialanalytik, das in den kommenden Jahren aufgebaut wird, ergeben sich an der Universität Bremen mit der neuen DFG-geförderten Hightech-LMD-Anlage neue Forschungsmöglichkeiten und -kooperationen im MAPEX-Verbund. Die Anlage wird in Zukunft von Forschenden aus verschiedenen Fachbereichen der Universität Bremen, dem Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT) und dem BIAS- Bremer Institut für angewandte Strahltechnik gemeinsam genutzt.

Wissenschaftlicher Austausch profitiert

„Dies wird den wissenschaftlichen Austausch und die Zusammenarbeit am Standort weiter stärken und Bremen in dem bedeutenden Forschungsfeld der additiven Fertigung voranbringen,“ erwartet Professor Frank Vollertsen, Institutsleiter des BIAS, welches eine langjährige Erfahrung im Bereich der Laser-Materialbearbeitung einbringt und auf dessen Know-how im Bereich des LMD-Verfahrens der Verbund aufbauen wird. Es ist geplant, dieses Gerät in die gemeinsame Grundlagenforschung des Sonderforschungsbereiches (SFB) 1232 „Farbige Zustände“ zu integrieren. Dieser SFB der Universität Bremen entwickelt eine Hochdurchsatzmethode für das Finden gänzlich neuer und nachhaltiger Legierungskonzepte. „Dieses Großgerät ist ein ideales Werkzeug für flexible und besonders schnelle Probenerzeugung und wird dem SFB 1232 gänzlich neue Möglichkeiten eröffnen“ freut sich Professor Lutz Mädler, Sprecher des SFB 1232 und einer der Direktoren des IWT.

Beteiligte Wissenschaftler:

An dem erfolgreichen Antrag im Rahmen der DFG Großgeräteinitiative „Laser-Auftragschweißen für Hochdurchsatzuntersuchungen und additive 3D-Fertigungen komplexer Legierungen und Verbundwerkstoffe“ waren sieben MAPEX Wissenschaftler aus vier verschiedenen Einrichtungen beteiligt:

Prof. Dr.-Ing. Lucio Colombi Ciacchi, HMI, Universität Bremen
Prof. Dr. phil. nat. Rolf Drechsler, Arbeitsgruppe Rechnerarchitektur, Universität Bremen
Dr.-Ing. Nils Ellendt, Geschäftsführer SFB 1232 „Farbige Zustände“
Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Mädler, Mechanische Verfahrenstechnik, IWT
Prof. Dr.-Ing. Vasily Ploshikhin, ISEMP, Universität Bremen
Dr.-Ing. Matthias Steinbacher, Materials Engineering/Metals, IWT
Prof. Dr.-Ing. Frank Vollertsen, Welding Technology and Related Processes, BIAS

Weitere Informationen:

www.mapex.uni-bremen.de
www.iwt-bremen.de
www.bias.de
www.uni-bremen.de

Fragen beantworten:

Dr. Hanna Lührs, MAPEX Center for Materials and Processes / Universität Bremen
Telefon: +49 421 218-64580
E-Mail:

Carolin Haller, IWT Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien
Telefon: +49 421 218-51374
E-Mail:

Christine Steffens, BIAS – Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH
Telefon: +49 421 218-58130
E-Mail:

Die Forschungsgruppe wird von Prof. Dr.-Ing. Michael Sinapius von der TU Braunschweig koordiniert. Vier der Teilprojektleitenden kommen von der Universität Bremen, mit Dr.-Ing. Axel von Hehl, Prof. Dr.-Ing. Axel S. Herrmann und Prof. Dr. Walter Lang sind auch drei MAPEX Mitglieder dabei. Im Rahmen der Schadenscharakterisierung und -klassifiation wird in einem Teilprojekt auch das MAPEX Röntgenmikroskop intensiv zum Einsatz kommen.

Pressemitteilung der DFG

„Das dadurch mögliche Projekt bildet den Grundstein für den Aufbau eines zentralen Großgerätezentrums, dessen Einrichtung ein wichtiges Vorhaben der Universität Bremen für die kommenden Jahre ist“, sagt Rektor Professor Bernd Scholz-Reiter. „Die Bewilligung der DFG zeigt, dass wir mit unserem Konzept der Einrichtung eines Großgerätezentrums zur verstärkten gemeinsamen Nutzung von wissenschaftlichen Geräten über die Grenzen der einzelnen Fächer hinweg den richtigen Pfad eingeschlagen haben.“

Teure Analysegeräte unabdingbar

Für die Erforschung und Entwicklung neuer Werkstoffe, zum Beispiel für Anwendungen im Bereich der nachhaltigen Mobilität und Energie, sind spezielle, oft sehr teure Analysegeräte unabdingbar. Sechs Professoren aus verschiedenen Disziplinen der Natur- und Ingenieurwissenschaften wollen mit vereinten Kräften die Werkstoffanalytik und die hierfür notwendigen Investitionen effizienter und transparenter gestalten. Neben einer besseren Geräteauslastung werden durch die Kombination komplementärer Analysetechniken Arbeitsabläufe erleichtert und Möglichkeiten eröffnet, dieselben Materialproben mit unterschiedlichen Methoden am gleichen Ort zu untersuchen.

Einzigartige Kombination von Spitzengeräten

Unter dem Dach des MAPEX-Gerätezentrums sollen fünf Untersuchungsgebiete vereint werden: Elektronenmikroskopie, 3D-Materialanalytik, Oberflächenanalytik, Röntgenbeugung und Spektroskopie. Mit den hierzu gehörigen Spitzeninstrumenten wird eine einzigartige Kombination geschaffen, die in dieser Form kaum an anderen Universitäten verfügbar ist. Damit wird der Standort Bremen auch für externe Forschende attraktiver und die Nutzung der hier verfügbaren Ressourcen zugänglicher.

„Mit der Etablierung des Gerätezentrums werden neue wissenschaftliche Kooperationen gefördert sowie der Wissenstransfer von und zur Privatwirtschaft und zur Öffentlichkeit gestärkt“, freut sich Professor Lucio Colombi Ciacchi, der die Initiative koordiniert hat. Damit soll das Gerätezentrum auch außerhalb der Universitätsgrenzen zu einem Fortschritt der Region beitragen. „Einen wichtigen Teil des Projekts bilden Aktivitäten, die zur Ausbildung von Studierenden beitragen und die Faszination der Werkstoffwelt an Schülerinnen und Schüler sowie an die interessierte Bevölkerung weitergeben“ erklärt Dr. Hanna Lührs, Wissenschaftsmanagerin von MAPEX.

Schwerpunkt: Materialien und ihre Oberflächen

Der wissenschaftliche Schwerpunkt des geplanten Gerätezentrums liegt auf der Erforschung struktureller, topographischer und chemischer Veränderungen von Materialien und ihrer Oberflächen während ihrer Synthese, Herstellung und Verwendung. Die für die Geräte verantwortlichen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werden Protokolle für Hochdurchsatz-Untersuchungen entwickeln, um eine große Anzahl von Proben in möglichst kurzer Zeit und mit einem hohen Automatisierungsgrad zu analysieren. Zudem sollen in-situ und Echtzeitstudien zu Materialveränderungen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden, insbesondere über große Temperaturbereiche und in chemisch aggressiven Umgebungen.

Beteiligt am Projekt sind neben Professsor Colombi Ciacchi (Produktionstechnik) auch die Professoren Jens Falta (Physik), Thorsten Gesing (Chemie), Andreas Lüttge (Geowissenschaften), Axel Herrmann (Produktionstechnik) und Andreas Rosenauer (Physik).

Weitere Informationen:

https://www.kreiszeitung.de/lokales/bremen/ein-wichtiges-vorhaben-13301194.html

https://www.weser-kurier.de/bremen/bremen-stadt_artikel,-uni-bremen-bekommt-750000-euro-_arid,1882423.html

www.dfg.de/foerderung/programme/infrastruktur/wgi/foerderangebote/geraetezentren/index.html
www.uni-bremen.de/mapex/
www.uni-bremen.de

Fragen beantworten:

Dr. Hanna Lührs und Prof. Lucio Colombi Ciacchi
MAPEX Center for Materials and Processes
Universität Bremen
Telefon +49 (0)421 218-64580
E-Mail:

Zur Pressemitteilung der Universität Bremen

Mit Comic- und Legoszenen erklären Doktorandinnen und Doktoranden des Promotionskollegs NanoCompetence.ihre Forschungen im Video. Copyright: Jonas Fischer/Universität Bremen

Ob Kleidung, Sonnencreme oder Wundpflaster – Nanopartikel sind heutzutage in vielen Produkten verarbeitet. So erzeugen sie in manchen T-Shirts einen sogenannten Lotuseffekt. Wenn das T-Shirt nass wird, perlt die Flüssigkeit ab. In Sonnencreme sorgen bestimmte Nanopartikel dafür, dass die Haut nicht verbrennt. In Wundpflastern wirken sie antibakteriell und helfen bei der Heilung. Die kleinen Teilchen sind winzig und nur ein bis hundert Nanometer groß. Um eine Vorstellung zu bekommen, wie klein Nanopartikel sind: Für den Durchmesser eines Haars müsste man etwa 600 von ihnen nebeneinanderlegen. Sie bestehen aus unterschiedlichen Materialen, wie zum Beispiel Metallen. Diese Informationen sind nur einige aus dem Erklärvideo, das acht Doktorandinnen und Doktoranden des Promotionskollegs NanoCompetence mit Comic- und Legoszenen erstellt haben.

Wie beeinflussen Nanopartikel das Gehirn?

Der Film gibt nicht nur spielerische Einblicke in das komplexe Themenfeld der Nanotechnologie. Man erfährt zudem, wie die Nachwuchsforschenden in drei Teams grundlegende Fragestellungen zu den speziellen Nanopartikeln Kupferoxid und Ceroxid bearbeiten. Denn diese sind bisher noch wenig erforscht - vor allem in der Umwelt. So gehen sie etwa den Fragen auf den Grund, wie Nanopartikel das Gehirn beeinflussen und wie die Sicherheit bei der Anwendung von Nanopartikeln gewährleistet werden kann.

Wissenschaft in die Gesellschaft transportieren

Ein grundlegendes Ziel des Kollegs ist es, Wissenschaft in die Gesellschaft zu transportieren. „Zu Beginn unserer Arbeiten hatten wir uns deshalb überlegt, ein Video zu drehen, um unsere Forschung zu vermitteln“, sagt Jonas Fischer. Der Doktorand hat an dem Film mitgewirkt und auch die Comics darin gezeichnet. „Nachdem das Video fertig war, entschieden wir uns, es in einer Veranstaltung im Haus der Wissenschaft in Bremen vorzustellen, bei der wir unsere Abschlussarbeiten präsentiert haben.“ Nun ist das Video auch online zu sehen.

„Witzig und wissenschaftlich korrekt“

„Durch die Arbeit an dem Film konnten wir unsere Forschung nochmal ganz anders unter dem Aspekt der Verständlichkeit und Transportierbarkeit sehen“, so Fischer. Die große Herausforderung sei es gewesen, die Forschungsarbeit auf das Wesentliche herunterzubrechen und dennoch den Kern der wissenschaftlichen Arbeit sichtbar zu machen. „Die im Video erlernten Techniken wenden wir mittlerweile regelmäßig in unseren Präsentationen an – ob vor Fachpublikum oder allgemeinem Publikum“, so der Doktorand.
„Das Video präsentiert die Gesamtidee von NanoCompetence auf witzige Art und Weise“, sagt die Sprecherin des Kollegs, Professorin Juliane Filser, „Trotzdem schaffen es die Doktorandinnen und Doktoranden, ausgewählte Aspekte ihrer Forschung wissenschaftlich korrekt und sehr klar zu vermitteln.“ Das Promotionskolleg NanoCompetence wird von der Hans-Böckler-Stiftung, der Freien Hansestadt Bremen und dem Verband der chemischen Industrie gefördert.

Weitere Informationen:

Das Video können Sie auf dem Youtube-Kanal der Universität Bremen sehen unter https://youtu.be/-q5YocFeG38 
www.nano.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Prof.  Dr. Juliane Filser
Allgemeine und Theoretische Ökologie
Fachbereich Biologie / Chemie
Universität Bremen
Telefon: +49 421 218 63470
E-Mail:
www.uni-bremen.de/uft-oekologie.html

© Jonas Fischer/Universität Bremen

Mit Comic- und Legoszenen erklären Doktorandinnen und Doktoranden des Promotionskollegs NanoCompetence.ihre Forschungen im Video.

associated with MAPEX Research Highlight 11-2019:

Controlling the Multiscale Structure of Nanofibrous Fibrinogen Scaffolds for Wound Healing

Authors:

Stapelfeldt, K., Stamboroski, S., Walter, I., Suter, N., Kowalik, T., Michaelis, M., Brüggemann, D.

Journal:

Nano letters (2019) 19 (9) , pp. 6554-6563. 

associated with MAPEX Research Highlight 01-2019:

New approach to evaluate 3D laser printed parts in powder bed fusion-based additive manufacturing in-line within closed space

Authors:

Kalms, M., Narita, R., Thomy, C., Vollertsen, F., Bergmann, R.B.

Journal:

Additive Manufacturing (2019) 26,161-165. 

associated MAPEX with Research Highlight 04-2019:

Quantum-Dot-Like States in Molybdenum Disulfide Nanostructures Due to the Interplay of Local Surface Wrinkling, Strain, and Dielectric Confinement

Authors:

Christian C., Michael L., Matthias F., Daniel E., Alexander S., Tim O. W., Frank J.

Journal:

Nano Lett (2019) 19, 5,3182-3186

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MAPEX NEWSletter Archive >

Krisponeit et al. Physical Review Letters 122, 136801 (2019).

associated with MAPEX Research Highlight 04-2019:

Layer-by-Layer Resistive Switching: Multistate Functionality due to Electric-Field-Induced Healing of Dead Layers

Authors:

Krisponeit, J.-O., Damaschke, B., Moshnyaga, V., Samwer, K.

Journal:

Physical Review Letters (2019) 122 (13)

OPA³L ist die Kurzversion für die Projektbezeichnung „OPtimal Assistierte, hoch Automatisierte, Autonome und kooperative Fahrzeugnavigation und Lokalisation“. In diesem Vorhaben wollen Technomathematikerinnen und -mathematiker (AG Optimierung und optimale Steuerung) sowie Informatikerinnen und Informatiker (AG kognitive Neuroinformatik und AG virtuelle Realität) der Universität Bremen ganzheitliche Ansätze für das autonome und kooperative Fahren umsetzen. Das Projekt läuft über vier Jahre. Von den insgesamt 5,3 Millionen Euro Projektvolumen fördern das DLR-Raumfahrtmanagement und das Bundesministerium für Wirtschaft (BMWI) 4,5 Millionen Euro; weitere 800.000 Euro werden durch die beteiligten Industriepartner eingebracht. 2,5 Millionen Euro des Projektvolumens sind für die Forschungen an der Universität Bremen vorgesehen.

Autonomes Fahren: Viele Visionen, viele Erwartungen

OPA³L ist die Fortsetzung des Projektes AO-Car („Autonome, optimale Fahrzeugnavigation und -steuerung im Fahrzeug-Fahrgast-Nahbereich für den städtischen Bereich“), das an der Universität Bremen in den vergangenen beiden Jahren durchgeführt wurde. „Die Entwicklung selbstfahrender Autos ist hochaktuell und wird breit diskutiert. Es gibt viele Visionen, aber auch viele Erwartungen“, sagt Professor Christof Büskens vom Zentrum für Technomathematik der Universität Bremen. „Man möchte nachhaltige, bedarfsgerechte und effiziente Mobilität, weniger Staus, mehr Sicherheit und Komfort erreichen. Aber gerade die Eingliederung autonomer Fahrzeuge in das seit Jahrzehnten bestehende und für den Menschen ‚designte‘ Verkehrssystem stellt dabei eine riesige Herausforderung dar.“

„Unsicherheitsfaktor Mensch“

Diesen Herausforderungen widmen sich die Bremer Forscherinnen und Forscher. „Das Fahrzeug muss sich in einer beschränkten und stark regelbasierten Umgebung orientieren, weitsichtige und optimale Entscheidungen treffen und auf den komplexen, unvorhersehbaren und größten Unsicherheitsfaktor Mensch reagieren“, so Projektmanager Dr.-Ing. Mitja Echim. Zukünftig werde die Kommunikation zwischen den Fahrzeugen und mit der Umgebung eine wichtige Rolle spielen, um beispielsweise auf Gefahrensituationen hinzuweisen oder optimale und kooperative Fahrmanöver umzusetzen.

Vom Parkplatz der Universität in den Straßenverkehr der Stadt

Im Vorgängerprojekt AO-Car navigierte das Forschungsfahrzeug selbständig auf dem Parkplatz der Universität. Hindernisse wurden berücksichtigt und freie Parklücken detektiert, um schließlich in einem vollautonomen Manöver einzuparken. Jetzt werden die Wissenschaftler einen Schritt weitergehen: Sie wagen sich in das Stadtgebiet vor. Ein besonderer Schwerpunkt wird auf Fälle gelegt, die sich durch einen unmittelbaren Nutzen im Alltag kennzeichnen. Beispiele hierfür sind autonome Shuttleservices zur nächsten Straßenbahnhaltestelle in Stadtrandgebieten mit unzureichender ÖPNV-Anbindung oder die autonome Bereitstellung von Fahrzeugen aus Car-Sharing-Pools direkt vor der Haustür.

„Die Herausforderung ist, mit multisensorischen Informationen, Vorwissen und Echtzeitinformationen aktueller Fahrzeugzustände zu ermitteln“, erläutert Dr. Joachim Clemens aus der AG Kognitive Neuroinformatik. „Gleichzeitig muss die Umgebung abgebildet werden. Je nach Situation müssen dann die passenden Manöver mit optimaler Steuerung und Regelung berechnet werden.“ Parallel dazu sind Risikoabschätzungen notwendig, die das stets vorhandene „unsichere Wissen“ berücksichtigen – was wiederum zu Verhaltensänderungen und der Generierung neuer Manöver führen kann.

Künftig werden insbesondere kooperative und vernetzte Manöver wie ökologische und ökonomische Vorfahrtsregeln an Kreuzungen, das gemeinsame Anfahren an Ampeln, die kooperative Nutzung mehrerer Fahrspuren oder die Kommunikation mit entgegenkommenden Fahrzeugen auf besonders schmalen Straßen betrachtet. Von zwei neuen Industriepartnern, die in OPA3L jetzt erstmals mit integriert sind, werden drei weitere autonome Fahrzeuge zur Verfügung gestellt und zusätzlich zwei – von Menschen gesteuerte – Autos mit Sensorik und Kommunikation ausgestattet.

Vom Weltraum auf die Erde

Bereits im Vorläuferprojekt AO-Car erzielten die beteiligten Arbeitsgruppen umfangreiche Ergebnisse. Die Entwicklung der wesentlichen Fahrfunktionen erfolgte in der kurzen Laufzeit von weniger als einem Jahr. Dies war insbesondere möglich, weil durch das Team entwickelte Methoden und Algorithmen zu Weltraumanwendungen, wie etwa die autonome Deep-Space-Satellitennavigation, auf die terrestrische Fragestellung „autonomes Fahren“ übertragen wurden.

Umgesetzt wurden diese herausfordernden Ansätze aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz auf einem nur unwesentlich veränderten Hybrid-Serienfahrzeug. Neben der bereits umfassenden Serienausstattung besitzt das Forschungsfahrzeug, das jetzt auch im neuen Projekt OPA³L eingesetzt wird, zusätzlich zwei Laser-Scanner zur Bereichsdistanzmessung vor und hinter dem Fahrzeug, sowie ein GNSS+-System zur hochgenauen globalen Lokalisation. Was aber für den Parkplatz noch ausreichend war, muss für den allgemeinen Straßenverkehr erweitert werden.

Sicher ist sicher

Um die Anforderung an eine verlässliche Wahrnehmung für Fahrten im Stadtverkehr zu erfüllen, wird die Ausstattung durch zusätzliche Laser-Sensoren sowie Kameras ergänzt. Bevor das Fahrzeug jedoch auf die Straße gelangt, durchlaufen die Algorithmen im Rahmen des Projektes einen mehrstufigen Validierungsprozess. Zum einen wird ein aufwändiges Echtzeitsimulationssystem genutzt, welches das Verhalten des Realfahrzeuges am Computer durch einen sogenannten „Digitalen Zwilling“ genau abbildet. Hiermit können sehr effizient sowohl umfangreiche Alltagsfahrmanöver als auch äußert selten auftretende Grenzsituationen am Computer nachgestellt und ausgewertet werden.

Störfälle werden mit Modellautos „durchgespielt“

In einer zweiten Stufe werden mehrere Modellfahrzeuge im Maßstab 1:8 verwendet, deren Sensor- und Aktuatorausstattung mit derjenigen der „echten“ Fahrzeuge vergleichbar ist. Mit ihnen werden unvorhersehbare Situationen durch äußere Störeinflüsse „durchgespielt“. Das dann folgende Verhalten – wie reagiert der Wagen, wenn plötzlich ein Baum auf die Straße fällt? – wird mit den Modellfahrzeugen untersucht. Schon auf dieser Ebene wird Studierenden der Universität Bremen die Möglichkeit gegeben, bereits frühzeitig in ihrem Studium an aktuellen Fragestellungen aus der Forschung teilzunehmen.

„Erst danach werden die auf diese Weise umfangreich getesteten Algorithmen am realen Groß-PKW untersucht – zuerst ohne weitere Verkehrsteilnehmer, dann zunehmend mit weiteren Beteiligten“, erläutert Christof Büskens das Verfahren. „Um maximale Sicherheit zu garantieren, arbeiten wir weiter mit Fahrer und Beifahrer. Der eine kann zu jeder Zeit die Kontrolle des Fahrzeuges übernehmen, der andere überwacht kontinuierlich die Systemsoftware. Fahrer und Beifahrer sind dafür besonders geschult.“

Weitere Informationen:

www.math.uni-bremen.de/zetem/ao-car
www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Christof Büskens
Optimierung und Optimale Steuerung
Zentrum für Technomathematik (ZeTeM)
Universität Bremen
Fachbereich Mathematik / Informatik
Tel.: +49 421 218-63861
E-Mail: 

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Alexandre Debiève/Unsplash

Prozessoren werden in immer mehr Geräten verbaut: von Notebooks über Handys und Diktiergeräte bis zu Satelliten. Gerade in Autos sei heute viel Elektronik, so Drechsler. „In einem Wagen der Oberklasse sind über 250 Mikroprozessoren mit Millionen Zeilen Programmier-Code.“ Das Problem sei, dass die Herstellung von Computer-Prozessoren mittlerweile an die physikalische Grenze stoße. „Prozessoren wurden erstmals in den 1970er Jahren entwickelt. Damals sagte der Mitgründer der Firma Intel, Gordon Moore, voraus, dass alle 18 Monate doppelt so viel auf einen Chip passen würde. Mittlerweile sind wir bei zehn Nanometern und können zu vertretbaren Kosten nicht kleiner bauen. Wir stehen hier an einem Wendepunkt“, erläutert Professor Drechsler. Die Rechnerarchitektur müsse sich in eine neue Richtung bewegen.  

Gleichzeitig speichern und verarbeiten

Eine Lösung könne das sogenannte Logic-In Memory Computing bieten, sagt Drechsler. „Neu daran ist, dass Computer in ihrem Speicher Daten gleichzeitig speichern und verarbeiten können. Dieser Prozess verläuft normalerweise getrennt.“ Die Grenze zwischen Speicher und Berechnungseinheit wird also aufgehoben. „Dies ist als Revolution im Bereich der Architektur zu sehen, da damit die seit Jahrzehnten geltende Trennung aufgehoben wird.“

Das DFG-Projekt befasst sich konkret mit der Frage, wie solche Schaltungen neu gebaut werden können. „Wir bauen nicht den Chip, sondern die Fertigungsstraße‘“. Dazu führen Professor Drechsler und sein Team Simulationen am Computer durch: „In den 70er Jahren wurden der Bauplan der Chips noch am Brett gezeichnet.“ Heutige Prozessoren bestehen dagegen aus über 10 Milliarden Komponenten wie der Informatiker beschreibt, das sind 10 Millionen 1000-Teile-Puzzle. Um die neuartigen Chips zu konstruieren müssen die Wissenschaftler bereits existierende Programmiersprachen mit neuen Kommandos erweitern.

Leistungsstarke und energiesparende Geräte

Zusätzlich haben die Forscher den Anspruch, mit der Fertigung auch zeitgleich die Verifikation durchzuführen. „Wir wollen nicht nur glauben, dass der Chip funktioniert, sondern es mit formalen Methoden beweisen. So können wir die korrekte und sichere Funktionsweise des Gesamtsystems gewährleisten.“ Ziel der neuen Rechnerarchitektur sind leistungsstarke Geräte, die wenig Energie verbrauchen. Durch ihre kompaktere Bauweise könnten sie zudem an verschiedensten Stellen im Bereich des Internet der Dinge eingesetzt werden und sicherer konstruiert werden. Das sei heutzutage gerade mit Blick auf Hackerangriffe sehr wichtig.

Weitere Informationen:

www.informatik.uni-bremen.de/agra/ger/bereich.php
www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Rolf Drechsler
Arbeitsgruppe Rechnerarchitektur
Fachbereich 3
Tel.: +49 421 218 - 63932
E-Mail: drechsler@uni-bremen.de

Die Pressemitteilung auf den Seiten der Universität Bremen

Universität Bremen
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Über die Universität Bremen:
Leistungsstark, vielfältig, reformbereit und kooperativ – das ist die Universität Bremen. Rund 23.000 Menschen lernen, lehren, forschen und arbeiten auf dem internationalen Campus. Ihr gemeinsames Ziel ist es, einen Beitrag für die Weiterentwicklung der Gesellschaft zu leisten. Mit gut 100 Studiengängen ist das Fächerangebot der Universität breit aufgestellt. Als eine der führenden europäischen Forschungsuniversitäten pflegt sie enge Kooperationen mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen in der Region. Aus dieser Zusammenarbeit entstand 2016 die U Bremen Research Alliance. Die Kompetenz und Dynamik der Universität haben auch zahlreiche Unternehmen in den Technologiepark rund um den Campus gelockt. Dadurch ist ein bundesweit bedeutender Innovations-Standort entstanden – mit der Universität Bremen im Mittelpunkt.

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Michael Beetz hat sich mit seiner Forschung auf dem Feld der künstlichen Intelligenz und Robotik international einen Namen gemacht. An der Universität Örebro (Schweden) hat ihm Rektor Johan Schnürer jetzt im Rahmen einer feierlichen Zeremonie den Ehrendoktor für seine international herausragenden wissenschaftlichen Leistungen, sowie für die langjährige Kooperation mit der schwedischen Universität verliehen. Beetz fungierte dort in der Vergangenheit bei mehreren Promotionen als Zweitgutachter und hielt Vorträge im Rahmen der Winter School des AASS Cognitive Robotic Systems Labs.

Internationalisierung und Demokratisierung der Robotik

Beetz ist Leiter des Instituts für künstliche Intelligenz (IAI) an der Universität Bremen. Das IAI forscht zu automatisierten Kontrollmethoden für Roboter. Diese sollen lernen, abstrakte Anweisungen selbständig umzusetzen und so zum Alltagshelfer zu werden. Ein weiteres wesentliches Aktionsfeld von Beetz ist der Sonderforschungsbereich 1320 EASE (Everyday Activity Science an Engineering), dessen Sprecher er ist. Dort arbeitet er mit seinem Forschungsteam daran, die technischen Voraussetzungen für die Zusammenarbeit im Forschungsfeld der Robotik zu verbessern und die Hürden für die Roboterprogrammierung zu senken. Daher stellt die IAI-Gruppe die meisten ihrer Forschungsergebnisse als Open Source Software zu Verfügung, überwiegend in der Robot Operating System (ROS) Bibliothek. So soll bewusst eine stärkere Demokratisierung der Robotik und der Künstlichen Intelligenz erreicht werden, damit die Entwicklung dieser Zukunftsfelder nicht alleine von kommerziellen Interessen geprägt wird. Die Universität Bremen baut in Zusammenarbeit mit weiteren internationalen Universitäten, so auch mit Örebro, bereits seit einigen Jahren das Fundament für intensive Kooperationen im Bereich Robotik auf.

Weitere Informationen:

ai.uni-bremen.de/team/michael_beetz
ease-crc.org
www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Prof. Michael Beetz PhD
Fachbereich Mathematik und Informatik
Universität Bremen
Tel..: +49 421 218-64001
E-Mail: beetz@cs.uni-bremen.de

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Seit einigen Jahren ist es möglich ultradünne Materialien herzustellen, die nur wenige Atome „dick“ sind. Das wohl am besten erforschte dieser zweidimensionalen (2d) Materialien ist Graphen, eine atomare Schicht aus Kohlenstoffatomen. Bahnbrechende Experimente zum Graphen wurden 2010 mit dem Nobelpreis in Physik ausgezeichnet. Neben Graphen können auch andere atomar dünne Materialien wie die Bohr-Nitrid oder so genannte Übergangsmetalldichalkogenide wie beispielsweise TaS2 hergestellt werden, welches die Physiker in Bremen untersucht haben. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Volumenmaterialen befinden sich praktisch alle Atome dieser 2d-Materialien direkt an der Oberfläche. Wissenschaftler versprechen sich hieraus ganz neue Möglichkeiten zum Maßschneidern von Materialeigenschaften.

Nanomaterial der Zukunft auf der Spur

Einem internationalen Team von Forschenden der Universitäten Bremen, Aarhus und Nijmegen ist auf diesem Gebiet nun ein Durchbruch gelungen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ berichten, hat das Team um Professor Tim Wehling und Dr. Bin Shao vom Institut für Theoretische Physik & Bremen Center for Computational Materials Science der Universität Bremen einen neuen Mechanismus zum Einbringen von Elektronen in ultradünne Materialien entdeckt. Mit diesem Trick könnte es gelingen, neue Nanomaterialien für die Informations- und Energietechnologie zu entwickeln.

Unordnungsproblematik für 2d Materialien wird umgangen

Das Einbringen von beweglichen Ladungsträgern in elektronische Materialien, auch Dotierung (englisch „Doping“) genannt, ist eine wichtige Art der Materialmanipulation. Sie bildet die Grundlage der gesamten heutigen halbleiterbasierten Informationsverarbeitung oder Photovoltaik. In klassischen Halbleitern wie Silizium funktioniert Dotierung durch das Ersetzen einzelner Atome. „Um ultradünne 2d-Materialien für Anwendungen nutzbar machen zu können, ist es wichtig diese auch zu dotieren.“, erklärt Professor Tim Wehling. Aber weil 2d-Materialien so dünn sind, werden die Elektronen durch das Einbringen von Fremdatomen stark gestört. Durch diese so genannten Unordnungseffekte gehen wünschenswerte Eigenschaften wie hohe Leitfähigkeiten oft verloren. „Der nun entdeckte Dotierungsmechanismus vermeidet die Unordnungsproblematik für 2d-Materialien indem er ausnutzt, dass Elektronen quantenmechanisch an mehreren Orten gleichzeitig sein können. Fremdatome werden hierbei zur Dotierung gar nicht mehr benötigt. Vielmehr tunneln die Elektronen ständig aus der Umgebung in das 2d-Material hinein und auch wieder heraus“, führt Wehling weiter aus.

Neue Methode ermöglicht heiß begehrte Supraleitung

Für heutige Anwendungen in der Halbleitertechnik wird deutlich weniger als ein Elektron pro 1000 Materialatome bewegt. Die neue Methode erlaubt nun mehr als hundertfach stärkere Dotierungen. Das kann dazu führen, dass sich das Verhalten der Elektronen fundamental verändert. Es können Effekte wie Supraleitung, also das Fließen elektrischer Ströme ohne Energieverlust, und sogenannte Ladungsdichtewellen, ein elektronisches Analogon von Wasserwellen, beeinflusst werden.

Basis für breites Anwendungsspektrum

Laut Wehling beschreibt die nun veröffentlichte Arbeit zunächst einmal Grundlagenforschung am Materialsystem von Tantaldisulfid (TaS2) auf einer Goldoberfläche. „Der entdeckte Dotierungsmechanismus sollte aber auch allgemeiner für metallische 2d-Materialien funktionieren und somit langfristig einen breiten technischen Einsatz finden können“, hofft er. Der nächste Schritt sei es nun, zu verstehen wie dieser Effekt ausgenutzt werden kann, um elektronische Eigenschaften von 2d-Materialien insbesondere Supraleitung und Ladungsdichtewellen gezielt zu manipulieren. Letztere stehen vor dem Hintergrund neuartiger Konzepte der Informationsverarbeitung als mögliche Bausteine künstlicher neuronaler Netze im Fokus intensiver Forschungsanstrengungen. Ähnliches gilt für den Bereich der Supraleitung, wo neue Materialien Anwendungen im Bereich des nahezu verlustfreien Stromtransports oder besonders effizienter Elektromotoren ermöglichen könnten.

Der Artikel „Pseudodoping of a metallic two-dimensional material by the supporting substrate“ ist nachzulesen unter: www.nature.com/articles/s41467-018-08088-8 (DOI Nummer: doi.org/10.1038/s41467-018-08088-8).

Weitere Informationen:

www.itp.uni-bremen.de/ag-wehling
www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Tim Wehling
Institut für Theoretische Physik & Bremen Center for Computational Materials Science
Universität Bremen
Tel.: +49 421 218-62039
E-Mail:

Kögel et al., Chemical Science 9(2018), 8178-8183. Inside front Cover

associated with MAPEX Research Highlight 12-2018:

Al(OCArF3)3 – a thermally stable Lewis superacid

Authors:

J.F. Kögel,  A. Y. Timoshkin, A. Schröder, E. Lorka, J. Beckmann

Journal:

Chemical Science (2018), 9, 8178-8183.

Klein, kleiner, mikro: Bauteile werden immer winziger. Oft haben sie gerade noch die Größe eines Reiskorns. Diese geringen Maße ermöglichen heute leistungsfähige Anwendungen, die noch vor wenigen Jahren undenkbar waren. In Autos, Smartphones, Hörgeräten, Uhren und unzähligen weiteren Geräten werden jeden Tag millionenfach Mikro-Komponenten verbaut. Sie leisten die gleiche Arbeit, für die früher noch Bauteile in Streichholzschachtel-Größe notwendig waren. Die kleinen Teile bringen aber auch völlig neue Herausforderungen mit sich, etwa bei ihrer Herstellung und Bearbeitung. Wie können kleinste metallische Bauteile schnell und günstig in einer Massenproduktion gefertigt und geformt werden – und zwar so sicher und genau, dass sie anschließend auch unter Höchstbelastung reibungslos funktionieren?

Neue Ansätze für die Massenfertigung entwickelt

Mit dieser Frage hat sich der Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“ der Universität Bremen zwölf Jahre lang beschäftigt. „Im Kern ging es uns darum, verlässliche Prozesse und Methoden für die umformtechnische Herstellung metallischer Mikrokomponenten in der Massenfertigung zu erforschen“, sagt Professor Frank Vollertsen, Sprecher des SFB 747. „Bei der maschinellen Fertigung tun sich immer wieder neue Herausforderungen auf. Durch die Miniaturisierung und die immer kürzer werdenden Prozesszyklen stoßen die herkömmlichen Herstellungsverfahren an ihre physikalischen Grenzen. Wir haben im SFB die Ursachen für diese Grenzen erforscht und neue Ansätze für die systematische Auslegung und den sicheren Einsatz von Umformprozessen metallischer Mikrobauteile entwickelt.“

Dabei ging es dem Sonderforschungsbereich aber nicht nur um die Umformverfahren. Betrachtet wurde die komplette Prozesskette von der Materialentwicklung, den vor- und nachgeschalteten Prozessschritten bis hin zu planerischen Aspekten. Ein industrieller Arbeitskreis begleitete die Forschungen von Anfang an. Insbesondere in der letzten Projektphase von 2014 bis 2018 ging es um die Überführung der Forschungsergebnisse in die Praxis. Neben vier konkreten Transferprojekten brachte die gewollte Nähe zur Industrie im Laufe der Jahre weitere Formen von Austausch und Kooperation mit sich. Und auch innerhalb der Universität Bremen sorgte die Arbeit des SFB für eine enge Zusammenarbeit insbesondere von Produktionstechnik, Physik und Mathematik.

Fortschritte durch Stoffanhäufen und Rundkneten

Die Arbeit des Bremer SFB sorgte für zahlreiche Fortschritte. Ein Beispiel ist das sogenannte Stoffanhäufen. Während im Makrobereich Metall beim Kaltumformen oft in mehreren Schritten gestaucht wird, um eine bestimmte Form zu erhalten, sind im Mikrobereich aufgrund bestimmter physikalischer Effekte Umformprozesse in nur insgesamt zwei Schritten realisierbar. „Wenn zum Beispiel das Ende eines eingespannten Drahtes durch einen Laserstrahl erhitzt wird, formt sich das geschmolzene Material zu einer Kugel – der sogenannten Massevorverteilung“, erläutert der SFB-Sprecher. „Diese kugelförmige Masse kann nun weiterverarbeitet werden, etwa durch Rundkneten. Auch dieses Rundkneten ist einer unserer Forschungsschwerpunkte gewesen.“ Das Verfahren ermöglicht unter anderem, die kleine Metallkugel aus dem Stoffanhäufen präzise und abfallfrei zu verändern. Das Metall kann weiter verfestigt und damit noch widerstandsfähiger gemacht werden. Auch Kombinationen aus verschiedenen Materialien lassen sich damit herstellen.

Ein anderes Beispiel ist die schnelle und genaue Qualitätsprüfung von Mikrobauteilen, die der SFB durch den Einsatz der digitalen Holografie ermöglicht hat. Dabei wird ein Bauteil mit einem Teil des Laserlichts beleuchtet. Das reflektierte Licht wird mit dem ursprünglich ausgestrahlten Teil des Laserlichts überlagert. „Wir bekommen so in guter Bildqualität und bei sehr schneller Messzeit aussagekräftige 3D-Informationen über das Bauteil“, sagt Frank Vollertsen. Die Auswertung erfolgt durch Bildverarbeitung und künstliche Intelligenz. „Innerhalb von Sekundenbruchteilen muss bewertet werden, ob ein winziges Bauteil den Qualitätsmaßstäben entspricht oder aber Ausschuss ist. Mit dem von uns entwickelten Verfahren ist das heute möglich.“

Neue Verfahren zur Werkzeugherstellung und -bearbeitung

Ein weiterer wichtiger Bereich in der SFB-Forschung war die Entwicklung von neuen Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren für Werkzeuge aus besonderen Materialien, etwa Diamant oder besonders temperaturempfindlichen Materialien wie Formgedächtnislegierungen. Und mit dem Öffentlichkeitsprojekt „mikromal“, das die Tätigkeit des Sonderforschungsbereiches jahrelang verständlich darstellte und oftmals in den Schulen zu Gast war, startete der SFB als einer der ersten diese Form der Wissensvermittlung und Nachwuchsförderung.

„Wir haben in den vergangenen zwölf Jahren erhebliche Expertise aufgebaut. Unsere Arbeit wird natürlich mit dem Auslaufen des Sonderforschungsbereiches nicht enden“, bilanziert Frank Vollertsen. In Sachen Prozessgestaltung von Umformprozessen und bei der Werkzeugherstellung wird im Fachbereich Produktionstechnik und an den Instituten der Universität weiter geforscht, und die Produkte wie der im SFB entwickelte Prototyp zur Prüftechnik in Hohlräumen zur Endkontrolle von Mikrobauteilen wird zur Marktreife gebracht.

Weitere Informationen:

www.sfb747.uni-bremen.de
www.mikromal.de
www.facebook.com/Sonderforschungsbereich747
www.bias.de
www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Christine Steffens
SFB 747 „Mikrokaltumformen“
Universität Bremen
Tel.: +49 421 218-58130
E-Mail: Steffens@bias.de

G. Pesch et al., Scientific Reports 8, article 10480 (2018)

associated with MAPEX Research Highlight 07-2018:

Bridging the scales in high-throughput dielectrophoretic (bio-)particle separation in porous media

Authors:

G. R. Pesch M. Lorenz, S. Sachdev, S Salameh, F. Du, M. Baune,P. E. Boukany, J. Thöming

Journal:

Scientific Reports volume 8, Article number: 10480 (2018)

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MAPEX NEWSletter Archive >

 Motiviert durch die Erfolgsgeschichte des superdünnen „Wundermittels“ Graphen, das vor einigen Jahren mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet worden ist, entdecken Forscherinnen und Forscher in der Chemie und in der Physik heute immer neue, atomar dünne Materialien. Sie bestehen aus Gittern von Atomen, die nur wenig dicker sind als die einzelnen Atome selbst. Der Vorreiter Graphen setzt sich aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoffatomen zusammen. Die ist zwar hervorragend für die Elektronik geeignet, nicht jedoch für optische Anwendungen. Nun gibt es neue atomar dünne Materialien, die sich für stark miniaturisierte und äußerst energieeffiziente optische Bauelemente eignen. Bemerkenswert ist dabei, wie einfach und kostengünstig die neuen Materialien hergestellt werden können: Sie lassen sich beispielsweise mit Klebefilm von sogenannten Volumenkristallen abziehen.

Vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Eine zentrale Idee ist hierbei das Prinzip des „Lego-Baukastens“: Die Eigenschaften leuchtender und elektrisch leitender atomar dünner Materialien, wie beispielsweise Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs) und Graphen, werden kombiniert, indem man sie direkt aufeinanderstapelt. Trotz losen Zusammenhalts weisen diese Strukturen eine enorme mechanische Stabilität auf. Die darin enthaltenen TDMs leuchten dabei nicht nur sehr gut, sie absorbieren auch Licht und können es in Strom umwandeln. Deshalb gibt es bereits erste praktische Anwendungen in sehr empfindlichen Sensoren. Denkbar ist zudem, sie in biegsamen Solarpanels zu verwenden oder in Handydisplays. Durch den Einsatz in stark miniaturisierten Lasern können neue Bauteile realisiert werden, die für das Highspeed-Internet der nächsten Generation benötigt werden. „Wir können mit diesen Materialien einen ganzen Bauelemente-Pool für Innovationen im Ingenieurswesen und in der Technik bereitstellen. Die Eigenschaften dieser atomdünnen Blättchen sind mit Blick auf den wachsenden Bedarf an erneuerbaren und effizienten Energiequellen höchst interessant“, erläutert Frank Jahnke, Professor für Theoretische Physik. Zusammen mit Dr. Matthias Florian und Dr. Alexander Steinhoff hat er die Untersuchungen an der Universität Bremen durchgeführt.

Atomphysik in 2D

Für Physiker bedeuten die atomar dünnen Schichten zugleich ein radikales Umdenken. Anders als in der herkömmlichen Atomphysik, die sich stets auf einen dreidimensionalen Raum bezieht, spielt sich hier alles in lediglich zwei Raumrichtungen ab. Möchte man die Schichten zum Leuchten bringen, müssen die Elektronen in den Atomen angeregt werden. Positive und negative Ladungen erzeugen sodann neue Verbundteilchen oder künstliche Atome, die sich jedoch nur in der Ebene des dünnen Netzes bewegen können. Physiker müssen jetzt eine zweidimensionale Atomphysik formulieren, die sie erst einmal vor zahlreiche Rätsel stellt. Insbesondere möchten sie die charakteristischen Spektrallinien der Teilchen verstehen, welche sie mit spektroskopischen Methoden ausmessen können – ähnlich wie bei der Untersuchung von Gasmolekülen in unserer Atmosphäre. „Diese Teilchenkomplexe in Kristallen sind zwar deutlich kurzlebiger als echte Atome und Moleküle, können aber in modernen ultraschnellen Experimenten sichtbar gemacht werden“, führt Nachwuchswissenschaftler Dr. Alexander Steinhoff aus.

Spektralen Fingerabdruck der Materialien erforscht

So hat das Team der Universität Bremen in enger Kooperation mit Fachkollegen der Experimentalphysik aus Berlin und aus Houston/Texas Computer-Simulationen mit modernster Spektroskopie kombiniert, um den spektralen Fingerabdruck dieser Verbundteilchen zu erhalten. Sie haben dabei nachgewiesen, dass durch die innere Struktur der Vier-Teilchen-Komplexe neue Quantenzustände entstehen. Diese gehen über die bislang bekannten Gesetze der Atom- und Molekülphysik weit hinaus. Denn sie erzeugen eine reichhaltige spektrale Signatur.

Von der Grundlagenforschung zur Anwendung

Ihre Entdeckungen haben die Wissenschaftler jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Physics“ publiziert. Mit ihren Erkenntnissen tragen sie dazu dabei, Ordnung in den sogenannten Linienzoo der neuen Materialien zu bringen. Denn sie geben Kolleginnen und Kollegen in ihrem Forschungsfeld ein Rezept an die Hand, weitere Linien zu identifizieren. Für die Grundlagenforschung sind die Ergebnisse interessant, da sie über die übliche Analogie zwischen Festkörper- und Atomphysik weit hinausgehen. Aber auch die Anwendungsebene haben die Wissenschaftler fest im Blick: Als einen nächsten Schritt planen sie die Erstellung funktionsfähiger Prototypen solcher Bauteile.

Die Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Graduiertenschule „Quantum Mechanical Materials Modelling“ an der Universität Bremen gefördert. Der Artikel „Biexciton fine structure in monolayer transition metal dichalcogenides“ist nachzulesen unter www.nature.com/articles/s41567-018-0282-x (DOI Nummer: https://doi.org/10.1038/s41567-018-0282-x).

Weitere Informationen:
www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:
Prof. Dr. Frank Jahnke
Institut für Theoretische Physik
Universität Bremen
Tel. +49 421 218-62050
E-Mail:

Link zur originalen Pressemitteilung der Uni Bremen

associated with MAPEX Research Highlight 08-2018:

Destabilizing turbulence in pipe flow

Authors:

J. Kühnen, B. Song, D. Scarselli, N. Burak Budanur, M. Riedl, A. P. Willis, M. Avila, B. Hof

Journal:

Nature Physics (2018) 14, 386-390.

Professor Bernhard Karpuschewski ist einer der international führenden Experten auf dem Gebiet der Fertigungstechnik. Für seine Leistungen wurde der Wissenschaftler der Universität Bremen jetzt erneut ausgezeichnet. Professor András Torma, Rektor der Universität Miskolc (Ungarn), verlieh Karpuschewski im Rahmen der feierlichen Abschlusszeremonie den Ehrendoktor für seine international herausragenden Tätigkeiten bei der Entwicklung von Fertigungsprozessen, Präzisionszerspanungstechnologien und Bearbeitungsverfahren mit reibenden und schleifenden Verfahren, sowie für die langjährige Kooperation mit der ungarischen Universität. „Mit der Universität Miskolc verbindet mich eine enge Zusammenarbeit über viele Jahre hinweg. Die Verleihung des Ehrendoktors empfinde ich als besondere Wertschätzung meiner Arbeit und der langjährigen Kooperation“, sagt Professor Karpuschewski. Der Ehrendoktortitel ist die höchste Auszeichnung, die die Universität Miskolc vergibt. An der feierlichen Verleihung nahm die Konrektorin der Universität Bremen, Professorin Eva-Maria Feichtner, teil.

Langjährige Kooperation mit der Universität Miskolc

Professor Karpuschewski arbeitete in der Vergangenheit in verschiedenen fertigungstechnischen Forschungsvorhaben eng mit der Universität im Nordosten Ungarns zusammen. Auch bei infrastrukturellen Fragestellungen unterstützte der Bremer Forscher die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Fakultät für Maschinenbau und Informatik. Darüber hinaus betreute er Promotionsvorhaben von wissenschaftlichen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern. Bereits 2011 wurde Karpuschewski mit der Ehrenprofessur dieser Fakultät der Universität Miskolc geehrt.

Zur Person:

Bernhard Karpuschewski ist Professor für Fertigungsverfahren an der Universität Bremen sowie Direktor der Hauptabteilung Fertigungstechnik des Leibniz-Instituts für Werkstofforientierte Technologien - IWT. Seine Arbeitsgruppe umfasst rund 60 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, die auf dem Gebiet der werkstofforientierten Fertigungstechnik mit Schwerpunkt auf spanenden Verfahren und Ultrapräzisionsfertigung forschen. Professor Karpuschewski studierte Maschinenbau an der Universität Hannover, wo er 1995 promovierte und sich 2001 habilitierte. 2017 nahm er den Ruf an die Universität Bremen an. Er ist Gutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für Sonderforschungsbereiche, Schwerpunktprogramme und Großgeräteanträge, sowie Mitglied des Senats- und Bewilligungsausschusses der DFG für Sonderforschungsbereiche. Er ist darüber hinaus Gutachter der VolkswagenStiftung, sowie Mitglied des Council der Internationalen Akademie für Produktionstechnik (CIRP). 2011 wurde Karpuschewski zum Prof. h.c. der Fakultät für Maschinenbau und Informatik der Universität Miskolc ernannt. 2016 erhielt er die Ehrendoktorwürde der Technischen Universität Georgien in Tiflis.

Weitere Informationen:

 www.iwt-bremen.de

www.uni-bremen.de

Fragen beantwortet:

Prof. Dr.-Ing. habil. Bernhard Karpuschewski

Professor für Fertigungsverfahren

Fachbereich Produktionstechnik

Universität Bremen

Direktor am Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - IWT

Tel.: +49 421 218 511 01

E-Mail: karpuschewski@iwt-bremen.de

Link zur originalen Pressemitteilung der Universität Bremen

Das Deutsche Schifffahrtsmuseum (DSM) – Leibniz-Institut für deutsche Schifffahrtsgeschichtein Bremerhaven hat zum Europäischen Kulturerbejahr 2018 eine Sonderausstellung konzipiert. Die Schau soll ein Bewusstsein für die Erhaltung des kulturellen Erbes und für Maritime Geschichte im europäischen Kontext schaffen und rückt daher Fragen der Konservierung und Restaurierung von Ausstellungsobjekten in den Mittelpunkt. Zu sehen sind maritime Exponate, die teils einzigartig in Europa sind, unter anderem das Fragment eines traditionellen Küstenfischerbootes, eine Gallionsfigur oder ein Pottwalskelett.

Materialanalyse entschlüsselt individuelle Geschichte der Exponate

Werkstoffe wie Holz, Metall und Textilien spielen eine entscheidende Rolle für Konservierungs- und Restaurierungsarbeiten. Neben der historischen und der restauratorischen Expertise, ist auch die materialwissenschaftliche zur Erforschung und Sicherung der musealen Gegenstände wichtig. So konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des MAPEX beispielsweise durch die mikroskopische Analyse eines kleinen Fragments der Galionsfigur „Carla“ die verwendete Holzart Kiefer bestimmen. Aus der Art der Holzzersetzung können sie außerdem darauf schließen, dass die Figur längere Zeit unter Wasser gelegen haben muss, also vermutlich versank und als Relikt geborgen wurde. Beide Erkenntnisse liefern wertvolle Informationen für die weitere Konservierung und Rekonstruktion der Geschichte des Exponats. „Ziel einer solchen materialwissenschaftlichen Untersuchung von historischen Objekten von kulturellem Wert ist es immer, Erkenntnisse über deren Geschichte zu erhalten und Lösungen für die möglichst langfristige Bewahrung für künftige Generationen zu entwickeln“, sagt Dr. Hanna Lührs vom MAPEX. Sie hat die wissenschaftliche Zusammenarbeit mit dem Deutschen Schifffahrtsmuseum wesentlich koordiniert.

Erfolgreiche fachübergreifende Forschungsallianz

Für die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vom MAPEX war die Zusammenarbeit mit einem Museum eine bereichernde Erfahrung, erklärt Professor Lucio Colombi Ciacchi, Sprecher des MAPEX. „Die besondere Herausforderung lag unter anderem darin, gemeinsam mit allen Beteiligten und ihren unterschiedlichen fachspezifischen Zugängen herauszufinden, was die sinnvollste Herangehensweise in diesem besonderen musealen Kontext ist. Insbesondere wenn ein Objekt nur durch größere Eingriffe erhalten bleiben kann, aber die Originalmaterialität und das ursprüngliche Erscheinungsbild möglichst wenig verändert werden sollen. Hier haben sich die Kenntnisse und Sichtweisen unserer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler und die der Museumsfachleute ausgezeichnet ergänzt.“ Die Zusammenarbeit von MAPEX und dem DSM ist Teil einer längerfristig angelegten Forschungskooperation mit dem Ziel der materiellen Charakterisierung und digitalen Erfassung des Museumsbestandes.

Weitere Informationen:

www.uni-bremen.de/mapex 

www.dsm.museum.de

www.uni-bremen.de

Fragen beantworten:

Dr. Hanna Lührs und Prof. Dr. Lucio Colombi Ciacchi      
MAPEX Center for Materials and Processes
Universität Bremen
Tel.: +49 421 218-64580 oder 64570
E-Mail: mapex@uni-bremen.de oder colombi@hmi.uni-bremen.de

Link zur Original Pressemitteilung der Universität Bremen

Zentrales Ziel des Forschungsprojektes „KEROSyN100“ ist die strombasierte Herstellung von umweltfreundlichem Kerosin. Bei solchen strombasierten Kraftstoffen handelt es sich um sogenannte synthetische Kraftstoffsubstitute, die konventionelles Benzin, Diesel oder Kerosin eins-zu-eins ersetzen können. Zur Herstellung braucht man lediglich Wasser und Kohlenstoffdioxid. Diese Stoffe werden unter Einsatz von Strom in flüssige Kohlenwasserstoffe überführt. In Abhängigkeit von der Kohlenstoffdioxid-Quelle und dem verwendeten Strom-Mix ermöglichen strombasierte Kraftstoffe eine deutliche Reduktion des effektiven Treibhausgasausstoßes im Vergleich zur Nutzung konventioneller Kraftstoffe. Wird Strom aus erneuerbaren Energien eingesetzt und das benötigte Kohlenstoffdioxid der Atmosphäre entnommen, so kann ein quasi-geschlossener CO2-Kreislauf herbeigeführt werden.

„Beitrag zur Abkehr von fossilen Kraftstoffen“

Projektleiter Timo Wassermann von der Universität Bremen führt aus: „Insbesondere im Flugverkehr haben strombasierte Kraftstoffe das Potenzial, einen großen Beitrag zur Abkehr von fossilen Kraftstoffen und Einsparung von Treibhausgasemissionen zu leisten. Ein Einsatz alternativer Antriebstechnologien, die ohne kohlenwasserstoffbasierte Kraftstoffe auskommen, ist in der Luftfahrt derzeit nicht absehbar.“

Mehrere Partner beteiligt

Das Verbundprojekt koordiniert die Universität Bremen. Beteiligt sind weiterhin die Industriepartner Chemieanlagenbau Chemnitz GmbH, Raffinerie Heide GmbH und SKL Engineering & Contracting GmbH. Wissenschaftspartner sind die TU Bergakademie Freiberg, das DLR – Institut für Vernetzte Energiesysteme e.V. und IKEM – Institut für Klimaschutz, Energie und Mobilität e.V.. Ausführende Stelle an der Universität Bremen ist das Advanced Energy Systems Institute (AES) mit den beteiligten Fachgebieten Resiliente Energiesysteme und Systemverfahrenstechnik. 

Zum Projekt „KEROSyN100“

Der Projektantrag, der den vollen Titel „KEROSyN100: Entwicklung und Demonstration einer dynamischen, effizienten und skalierbaren Prozesskette für strombasiertes Kerosin – Phase 1“ trägt, wird in den nächsten drei Jahren mit 4,2 Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert. Das Vorhaben wurde im Rahmen der Förderinitiative „Energiewende im Verkehr: Sektorkopplung durch die Nutzung strombasierter Kraftstoffe“ eingereicht und ist mit der Projektinitiative ENTREE100 der Entwicklungsagentur Region Heide assoziiert. Durch das Zusammenspiel von systemanalytischen Untersuchungen und der Entwicklung einer innovativen Technologie zur Synthese von Kerosin aus Methanol, soll strombasiertes Kerosin einer Markteinführung angenähert werden. Weiterhin wird im Projekt das Basic Engineering für eine maßgeschneiderte Demonstrationsanlage am Standort der Raffinerie Heide erarbeitet. Dabei spielt die Windenergieerzeugung im Umkreis der Raffinerie eine zentrale Rolle. Im Rahmen des Forschungsprojektes wird eine Nutzung der Windenergie angestrebt, die aufgrund von Netzengpässen und fehlender Flexibilität im System derzeit abgeregelt wird und damit verloren geht.
 

Fragen beantwortet:

Timo Wassermann
Advanced Energy Systems Institute
Fachbereich Produktionstechnik
Universität Bremen
Telefon: +49 421 218-64897
E-Mail: 

Link zur Original Pressemitteilung der Universität Bremen

associated with MAPEX Research Highlight 08-2017:

Microbial-based metalworking fluids in milling operations

Authors:

Daniel Meyer, Marvin Redetzky and Ekkard Brinksmeier.

Journal:

CIRP Annals - Manufacturing Technology (2017) 66, 129–132.

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MAPEX NEWSletter Archive >

„Mit diesem Studiengang begehen wir im deutschen Sprachraum absolutes Neuland“ erklärt Studiengangleiter Professor Lucio Colombi Ciacchi. „Wir möchten den Studierenden möglichst viel Freiheit bei der Gestaltung des eigenen Studiencurriculums geben, damit die ausgewählten Studieninhalte sowohl an die persönlichen Interessen als auch an die bereits im Rahmen eines MINT-Bachelors erworbenen Kompetenzen optimal angepasst werden“.

Studiengang wird von allen fünf MINT-Fachbereichen getragen

Der Name des Studiengangs ProMat – Prozessorientierte Materialforschung betont die enge Verknüpfung zum MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen. Hier kooperieren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aller Disziplinen der Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie der Technomathematik und Werkstoffinformatik. Der ProMat-Studiengang ist als interdisziplinärer Ausbildungsweg für den wissenschaftlichen Nachwuchs in den Forschungsthemen von MAPEX konzipiert und wird von allen fünf MINT-Fachbereichen der Universität Bremen gemeinsam getragen.

Studierende können Inhalte aus großem Angebot wählen

ProMat wird der wachsenden Komplexität der fächerübergreifenden Fragestellungen im breiten Gebiet der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in besonderer Weise gerecht: In fünf Basismodulen erwerben die Studierenden zunächst ein vertieftes Grundwissen in den MINT-Basisdisziplinen Mathematik, Physik, Chemie, Ingenieurswissenschaften und Informatikwerkzeuge. In zwei Spezialisierungsmodulen gewinnen sie dann sowohl theoretische als auch angewandte und praktische Kompetenzen. Das Besondere hierbei ist, dass die Studierenden die konkreten Inhalte dieser sieben Module aus einem Angebot von mehr als 350 Lehrveranstaltungen aller MINT-Fachbereiche wählen. Die Forschungsorientierung und internationale Ausrichtung des Studiengangs kommen durch ein eigens hierfür konzipiertes Modul „Forschungsprozesse“ und einen obligatorischen, mindestens achtwöchigen Forschungsaufenthalt im Ausland zur Geltung.

Von Beginn an in die Forschung integriert

Alle ProMat-Studierenden sind gleich vom ersten Semester bis zu ihrem Studienabschluss in die Forschung integriert. Dies erfolgt durch eine spezielle, persönliche Studierendenbetreuung seitens der ProMat-Dozentinnen und -Dozenten. „Ein Eins-zu-eins-Mentoring bietet zahlreiche Vorteile“ erklärt die Studiengangkoordinatorin, Dr. Iva Bačić. „Die Studierenden werden in die Forschungsgruppen ihrer Mentorinnen und Mentoren eingebunden, arbeiten dort aktiv mit und bekommen unmittelbaren Zugang zu internationalen Wissenschaftsnetzwerken, zum Beispiel durch die Teilnahme an Tagungen und Workshops sowie durch den im Curriculum verankerten Forschungsaufenthalt“. Der Studiengang ProMat bietet somit eine zielgerichtete Vorbereitung auf eine anschließende Promotion und auf weitere Karriereschritte der wissenschaftlichen Laufbahn.

Studium in Deutsch und Englisch

Die Regelstudienzeit von ProMat beträgt vier Semester (120 Credit Points) und die Lehrveranstaltungen werden sowohl in deutscher als auch in englischer Sprache angeboten. Zum Abschluss erhalten die Absolventen und Absolventinnen den Titel „Master of Science“. Eine Immatrikulation in den Studiengang ist jedes Semester möglich.

Weitere Informationen:

www.uni-bremen.de/promat

www.uni-bremen.de/de/mapex.html

www.uni-bremen.de

Fragen beantworten:

Prof. Dr. Lucio Colombi Ciacchi (Studiengangleiter)
MAPEX Center for Materials and Processes
Universität Bremen
Telefon: +49 421 218-64570
E-Mail: promat@uni-bremen.de

Dr. Iva Bačić (Studiengangkoordinatorin)
MAPEX Center for Materials and Processes
Universität Bremen
Telefon: +49 421 218-64585
E-Mail: promat@uni-bremen.de

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Exzellente Bremer Materialwissenschaften

„Ich freue mich sehr für Lutz Mädler und für die Universität Bremen über diese hohe Auszeichnung“, sagt Universitäts-Rektor Professor Bernd Scholz-Reiter über die Entscheidung des Europäischen Forschungsrates. „Nach der Bewilligung des Sonderforschungsbereichs „Farbige Zustände“ unter der Leitung von Lutz Mädler im Mai 2016 und dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis 2017 für Professor Mädler wurde den Bremer Materialwissenschaften jetzt erneut ihre überragende Exzellenz bescheinigt“, so Rektor Scholz-Reiter.

Hoch erfreut über die Auszeichnung von Mädler ist auch Professor Matthias Kleiner, der Präsident der Leibniz-Gemeinschaft, der das IWT seit Jahresbeginn angehört. „Lutz Mädler ist ein hervorragendes Beispiel für die Leibniz-typische Verbindung wissenschaftlicher Exzellenz mit klarer Anwendungsperspektive und Relevanz für Gesellschaft, Wirtschaft und das Leben der Menschen. Als Ingenieurwissenschaftler freue ich mich besonders, dass das erst seit diesem Jahr zur Leibniz-Gemeinschaft gehörende Institut mit seinem inzwischen zweiten Advanced Grant des ERC die Bereicherung der Materialwissenschaften in unserer Gemeinschaft eindrucksvoll unterstreicht.“

Neue Technologie für maßgeschneiderte Materialien

Im Mittelpunkt der Millionen-Förderung für Lutz Mädler und seine Arbeitsgruppe steht ein zielgerichtetes Projekt, in dem neue Reaktorkonzepte für das Reaktive Sprühen entwickelt werden. Mit dieser Technologie lassen sich maßgeschneiderte Materialen und Oberflächen herstellen – etwa flexible elektronische und katalytische Beschichtungen, die zum Beispiel zur Messung von Abgasen eingesetzt werden. Dabei führen Mädler und sein Team Experimente an winzigen Einzeltropfen durch, die nur wenig größer sind als der Durchmesser eines Haares. „Die Forschungen an diesen isolierten Tropfen sind kostengünstig und jederzeit beherrschbar“, so der Hochschullehrer. „Wir brauchen für die Versuche eine Vielzahl von Chemikalien, die schwierig zu handhaben sind. In unserem kleinen Maßstab darf dabei ruhig auch mal etwas schiefgehen, und wir können viel ausprobieren.“ Im großen Maßstab hingegen müssten hohe Investitionen getätigt werden, ohne dass Erfolge garantiert sind.

Forschung in Mikro-Dimensionen

Mit den Experimenten an Einzeltropfen bewegt sich Mädler bei seiner Grundlagenforschung in Dimensionen, die mit dem bloßen Auge nicht mehr sichtbar sind. Dennoch gehört es auch zu den wichtigen Zielen des vom Europäischen Forschungsrat geförderten Projektes, die gewonnenen Erkenntnisse auf größere Maßstäbe zu übertragen. „Wenn wir im Kleinen gezeigt haben, dass wir Materialien für neuartige Anwendungen herstellen können, wollen wir natürlich in Richtung industrieller Verwertbarkeit gehen.“, so Mädler. Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg, auf dem erst einmal die grundlegenden Zusammenhänge des Reaktiven Sprühens im Mikro-Maßstab erforscht werden müssen.

Zur Person

Lutz Mädler studierte zunächst Technische Physik an der Technischen Hochschule Zwickau und anschließend Verfahrenstechnik an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, wo er 1999 auch promoviert wurde. Seine Habilitationszeit verbrachte er an der ETH Zürich. Danach arbeitete er an der University of California, Los Angeles. 2008 wurde Mädler an die Universität Bremen berufen. Er ist seitdem Professor für Mechanische Verfahrenstechnik im Fachbereich Produktionstechnik und zugleich Direktor der Hauptabteilung Verfahrenstechnik des Leibniz-Instituts für Werkstofforientierte Technologien - IWT.

Über den ERC Advanced Grant

Der Europäischen Forschungsrat (European Research Council, ERC) vergibt seinen Advanced Grant an bereits anerkannte Spitzenwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler. Für einen Zeitraum von fünf Jahren wird dabei richtungsweisende Grundlagenforschung mit maximal 2,5 Millionen Euro gefördert. Die Förderung durch einem ERC Advanced Grant unterstreicht nicht nur die hervorragende Expertise der damit ausgezeichneten Personen, sondern auch die wissenschaftliche Qualität der Bremer Verfahrenstechnik.

ACHTUNG REDAKTIONEN:

Fotos von Professor Lutz Mädler finden Sie hier zum Download: https://seafile.zfn.uni-bremen.de/f/10c3c9901dd64f999df2/
Einen Videoclip zur Forschung von Lutz Mädler sehen Sie hier: https://www.youtube.com/watch?v=sHFMHF88XWk&feature=youtu.be
Videomaterial in HD-Auflösung aus diesem Clip kann die Universitäts-Pressestelle auf Wunsch zur Verfügung stellen.

Fragen beantwortet:

Prof.Dr-Ing.habil. Lutz Mädler
Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien - IWT
Tel. 0421/218-51200
E-Mail
www.iwt-bremen.de/verfahrenstechnik/lmaedler/

Link zur Original Pressemitteilung der Universität Bremen

Prof. Dr. Jan-Henning Dirks
Biological Structures and Biomimetics
Hochschule Bremen - University of Applied Sciences
Tel.: 0421-5905 6010
E-Mail: jan-henning.dirks@hs-bremen.de

Link zur original Pressemitteilung.

Klein, kleiner – winzig: Ein internationales Wissenschaftlerteam aus Deutschland und der Schweiz hat jetzt erstmals einen extrem kleinen Nanolaser gebaut. Er ist 300-mal dünner als ein menschliches Haar und funktioniert ohne aufwändige Kühlung schon bei Raumtemperatur. An der Entwicklung waren die Physiker Dr. Christopher Gies, Professor Frank Jahnke und Frederik Lohof vom Institut für Theoretische Physik (ITP) der Universität Bremen maßgeblich beteiligt. Die Experten für Lasertheorien halfen mit ihren mikroskopischen Modellen, die Emission von Laserlicht in dieser winzigen Größenordnung überhaupt erst nachzuweisen.

Mini-Laser für Mikrochips

Während man beispielsweise zum Schneiden von Stahl oder zum Abtasten von CDs große, auch für das menschliche Auge sichtbare Laser braucht, sind Nanolaser für die Informationstechnologie interessant. Denn in Zukunft wird die Datenübertragung und -verarbeitung zunehmend auf der Basis von Licht erfolgen, wie man es bereits durch die Verwendung von Glasfaserkabeln kennt. Für Mikrochips sind jedoch Mini-Laser notwendig – je kleiner, desto energieeffizienter. Zudem können sie direkt mit auf dem Chip integriert werden, was neben der Energieeffizienz ein wichtiger Aspekt ist. Einen solchen Nanolaser zu entwickeln, war das Ziel des internationalen Projekts. Es wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Schweizerischen Nationalfonds (SNF) gefördert.

Veröffentlichung in „Nature Communications“

Für die Grundlagenforschung in diesem Zukunftsbereich ist diese Entwicklung ein wichtiger Schritt. Deshalb wurde die Arbeit auch in der renommierten Open Access Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht (Link unten). Die Arbeit entstand in enger Kooperation mit führenden Gruppen im Feld von Halbleiteroptoelektronik (Prof. Stephan Reitzenstein, TU Berlin), Halbleiterprozessierung (Prof. Nicolas Grandjean, École Polytechnique Fédérale de Lausanne) und Charakterisierung von Nitrid-Halbleitern (Prof. Axel Hoffmann, TU Berlin).

In dem Projekt erwies es sich nicht nur als äußerst schwierig, überhaupt derart miniaturisierte Halbleiterstrukturen herzustellen. Eine weitere Herausforderung war auch, die phasenkohärente Lichtemission – das sogenannte Lasing – überhaupt nachzuweisen. „Ein normaler Laser ist mit unglaublichen Verlusten behaftet“, erläutert Christopher Gies. „Tatsächlich landen nur 0,0001 Prozent des erzeugten Lichtes tatsächlich im Laserbetrieb. Beim neu entwickelten Nanolaser hingegen gibt es so gut wie keine Verluste mehr – es werden mehr als 70 Prozent des erzeugten Lichtes genutzt!“

Extrem hohe Energieeffizienz

Die hohe Energieeffizienz stellte bei der Entwicklung des Nanolasers aber gleichzeitig auch ein Problem dar. „Die fast vollständige Abwesenheit von Verlusten bedeutet, dass der ‚Fingerabdruck‘ des Lasers – nämlich das sprunghafte Ansteigen der Lichtintensität an der Schwelle zum Lasern – hier gar nicht mehr vorhanden ist. Stattdessen müssen geringste Veränderungen in dem wenigen Licht untersucht werden, das von der winzigen Halbleiterstruktur ausgesendet wird“, erklärt Gies. „Für experimentelle Messmethoden ist das eine große Herausforderung, denn man weiß zunächst gar nicht, nach welchen Signaturen man genau suchen soll.“

Hier kommt das Fachwissen der Bremer Uni-Physiker vom Institut für Theoretische Physik ins Spiel. Ihr Spezialgebiet sind ausgefeilte Lasertheorien, die die quantenmechanischen Besonderheiten kleinster Laser berücksichtigen. Mit ihren im Rechner erstellten mikroskopischen Modellen konnten Christopher Gies, Frank Jahnke und Frederik Lohof das Verhalten des Nano-Systems präzise voraussagen. „Im praktischen Experiment wussten die Kolleginnen und Kollegen im Projekt also dank unserer Arbeit, woran sie genau Lasing identifizieren konnten. Die Übereinstimmung von Theorie und Experiment war dann der Nachweis, dass es mit dem Nano-Laser geklappt hat.“

Link zum Nature-Artikel: https://www.nature.com/articles/s41467-018-02999-2; als PDF: https://www.nature.com/articles/s41467-018-02999-2.pdf

Fragen beantwortet:

Dr. Christopher Gies
Universität Bremen
Institut für Theoretische Physik (ITP)
Tel. 0421/218-62052
E-Mail: gies@itp.uni-bremen.de
www.itp.uni-bremen.de/ag-gies

Link zum MAPEX Research Highlight.

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Seit 2004 nimmt die Zahl der Bahnpassagiere stetig zu. Neben der steigenden Passagiernachfrage muss sich der Eisenbahnsektor in Zukunft auch weiteren Herausforderungen stellen, wie zum Beispiel steigenden Verkehrsanforderungen, Verkehrsüberlastung, Fragen zu Sicherheit und Energieversorgung oder dem Klimawandel. Von großer Bedeutung ist dabei die Entwicklung innovativer Materialien und eines modularen Designs für Schienenfahrzeuge. Ein zentrales Ziel des europäischen Forschungsprojekts ist die Gewichtsreduktion von Zügen. Vorbedingung hierfür ist, dass neu zu entwickelnde Verbundwerkstoffe die Anforderungen in Bezug auf mechanische Stabilität und Brandverhalten erfüllen. Mat4Rail strebt zudem neue Konzepte zur Steigerung der Kapazität und des Passagierkomforts durch eine integrierte Modularität der Zuginnenausstattung an.

Mitarbeit an einer neuen Generation von Zügen

Das Forschungsteam von Universität Bremen und Fraunhofer IFAM befasst sich im Rahmen des Mat4Rail-Projekts mit der Entwicklung schwer entflammbarer Leichtbaukomponenten. Projektleiter Professor Bernd Mayer erläutert: „Das Mat4Rail-Projekt erlaubt es uns, innovative Matrixsysteme im Hinblick auf ihr Brandverhalten in Kombination mit Kohlenstoff-, Glas- und Basaltfasern intensiv zu untersuchen und zu optimieren. Wir freuen uns über diese Möglichkeit, an der Entstehung einer ganz neuen Generation von Schienenfahrzeugen mitzuarbeiten.“. Das 4-köpfige Forschungsteam um Mayer besteht aus zwei Produktionstechnikern und einem Chemiker und wird fachlich unterstützt von Mitarbeitern des Fraunhofer IFAM. Die Fördersumme des über zwei Jahre laufenden Bremer Vorhabens beträgt knapp 500.000 Euro.

Teil des weltweit größten Forschungsprogramms Horizon 2020

Mat4Rail ist Teil des sogenannten Shift2Rail Joint Undertaking (S2R JU), einer öffentlich-privaten Partnerschaft, die im Rahmen des EU-Forschungsprogramms Horizon 2020 ins Leben gerufen wurde. Ziel von S2R JU ist es, die Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Bahnindustrie zu sichern und zu stärken. Horizon 2020 ist das weltweit größte transnationale Programm zur Förderung von Wissenschaft, technologischer Entwicklung und Innovation. Mat4Rail ist neben SMART bereits das zweite Shift2Rail-Projekt, an dem die Universität Bremen unmittelbar beteiligt ist. Bei SMART geht es um die Automatisierung im Schienengüterverkehr.

Innovation durch Zusammenarbeit

Die Universität Bremen und das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) sind Mitglieder in der „UBremenResearchAlliance“. Dieser Zusammenschluss soll die wissenschaftliche Zusammenarbeit von Universität und außeruniversitären Instituten stärken. Durch die gemeinsame Arbeit im Mat4Rail-Projekt kann diese Forschungsallianz intensiviert und die Universität Bremen gleichzeitig als Ort der Spitzenforschung international weiter etabliert werden.

Fragen beantwortet:

Prof. Dr. Bernd Mayer
Fachbereich Produktionstechnik - Maschinenbau & Verfahrenstechnik
Universität Bremen
Tel..: +49 421 2246-419
E-Mail: bernd.mayeruni-bremen.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

associated with MAPEX Research Highlight 08-2017:

Quantitative determination of residual silver distribution in nanoporous gold and its influence on structure and catalytic performance

Authors:

Christoph Mahr, Paromita Kundu, Anastasia Lackmann, Daniele Zanaga, Karsten Thiel, Marco Schowalter, Martin Schwan, Sara Bals, Arne Wittstock and Andreas Rosenauer.

Journal:

Journal of Catalysis (2017) 352, 52–58.

Wir leben in einer Welt von Displays, deren Größe und farbliche Brillanz ständig zunehmen. Bei der Weiterentwicklung der Glühbirne ist es einfach: Sie wird immer mehr durch LEDs ersetzt, in denen sogenannte Halbleiter das Licht erzeugen. Die Einsatzmöglichkeiten von Displays sind jedoch beschränkt, da herkömmliche Halbleitermaterialien eher unflexibel und starr sind. Mit organischen Leuchtdioden (OLEDs) können zwar biegsame Displays hergestellt werden, jedoch sind Lebensdauer und Lichtausbeute niedriger als bei ihren anorganischen Verwandten.

Nun sind neue Materialien im Gespräch, die extrem dünn sind, sehr intensiv leuchten und sich zugleich erstaunlich einfach herstellen lassen: Mit herkömmlichem Klebeband kann man im Labor einzelne atomare Lagen von speziellen Kristallen abziehen. Besonders geeignet sind hierfür die sogenannten Van-der-Waals-Kristalle. Eine zentrale Idee ist hierbei das Prinzip des „Lego-Baukastens“. Man kombiniert die Funktionalitäten leuchtender und elektrisch leitender atomar dünner Materialien miteinander, indem man sie direkt aufeinanderstapelt.

Innovatives Material ermöglicht Einsatz in Sensoren und Solarzellen

Die auf diese Weise erzeugten Materialien weisen eine enorme mechanische Stabilität auf. Sie leuchten nicht nur sehr gut, sie absorbieren auch Licht und können es in Strom umwandeln. Deshalb gibt es bereits erste Anwendungen in sehr empfindlichen Sensoren, denkbar ist auch ihre Verwendung in biegsamen Solarpanels. Diese Eigenschaft ist im Hinblick auf den wachsenden Bedarf an erneuerbaren Energiequellen besonders interessant.

Tanzendes Spiel der Teilchen erforscht

Licht in einem bestimmten Bereich des Farbspektrums wird in Halbleitern durch das Zerstrahlen positiver und negativer elektrischer Ladungen erzeugt. Wegen ihrer unterschiedlichen Polaritäten ziehen sich die entgegengesetzten Ladungen an und können sich zu neuen Verbundteilchen, sogenannten Exzitonen, mit veränderten Eigenschaften zusammenschließen. Das Physikerteam der Universität Bremen hat im Rahmen der Grundlagenforschung zu den neuen Materialien eine Methode entwickelt, mit der diese Verbundteilchen sichtbar gemacht und studiert werden können.

Die Wissenschaftler haben analysiert, wie dieses Auftreten der Verbundteilchen von der Anzahl der Ladungen abhängt, die man bei einer Leuchtdiode von außen steuern kann. „Die ungleichen Ladungen zeigen hierbei ein Verhalten ganz ähnlich dem von Tänzern auf einer unterschiedlich bevölkerten Tanzfläche. Ist die Dichte gering, befinden sich also sehr wenige Tänzer auf der Fläche, so finden sich keine Partner und jeder tanzt für sich allein. Auf einer gut gefüllten Tanzfläche hingegen finden sich Paare zusammen und tanzen ungestört jedes für sich. Eine übervolle Tanzfläche schließlich führt zu ständigen Kollisionen der Paare, so dass diese sich trennen und jeder wieder allein tanzt.“, erläutert Nachwuchswissenschaftler Dr.  Alexander Steinhoff die Forschungsergebnisse.

„Wir konnten zeigen, dass die Verbundteilchen mittels der sogenannten Photoelektronenspektroskopie sichtbar gemacht werden können“, erklärt er. „Hierbei wird ein hochenergetisches Lichtteilchen eingestrahlt. Das zusammengesetzte Teilchen wird zerschlagen und seine Bestandteile aus dem Halbleiter herausgelöst und detektiert, um auf die Struktur des Verbundteilchens zu schließen.“

Neue Methode bringt Struktur in den Tanz

Die Autoren regen in dem Nature-Artikel an, diese Erkenntnisse zu nutzen. Das Verhältnis zwischen freien und gepaarten Ladungen beeinflusst direkt die optischen und elektronischen Eigenschaften des Materials. Es kann durch gezielte Strukturierung der Umgebung gesteuert werden, auf die atomar dünne Materialien sehr sensitiv reagieren. Die Wissenschaftler leisten hiermit einen wichtigen Beitrag für die Handhabung des „Lego-Baukastens“ und die Herstellung von ultradünnen optoelektronischen Bauteilen mit maßgeschneiderten Eigenschaften.

Die Arbeit wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Graduiertenschule „Quantum Mechanical Materials Modelling“ an der Universität Bremen gefördert. Der Artikel „Exciton fission in monolayer transition metal dichalcogenide semiconductors“ ist unter diesem Link nachzulesen: www.nature.com/articles/s41467-017-01298-6 (DOI Nummer: 10.1038/s41467-017-01298-6).

Fragen beantwortet:

Prof.Dr. Frank Jahnke
Universität Bremen
Institut für Theoretische Physik
Tel. +49 421 218-62050
E-Mail:

Link zum MAPEX Research Highlight.

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

associated with MAPEX Research Highlight 01-2018:

Pulsating dissolution of crystalline matter

Authors:

C. Fischer, A. Luttge

Journal:

Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America (2018) 115, 5 Pages 897-902. .

„Ich freue mich sehr, dass wir unsere gemeinsame Arbeit durch einen neuen Partner weiter ausbauen können“, sagte Professor Bernd Mayer vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) bei der Vertragsunterzeichnung. Zusammen mit dem Rektor der Universität Bremen, Professor Bernd Scholz-Reiter, ist er Vorsitzender der U Bremen Research Alliance. Professor Ekkard Brinksmeier vom Leibniz-IWT fügt hinzu: „Durch die Aufnahme in die U Bremen Research Alliance wollen wir dazu beitragen, den Bremer Wissenschaftsstandort weiter zu stärken. Wir freuen uns auf die Zusammenarbeit.“

Das Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT Bremen

Das Leibniz-IWT befindet sich auf dem Campus der Universität Bremen. Es arbeitet seit Jahren eng mit dem Fachbereich Produktionstechnik zusammen. Das Institut entwickelt Zukunftstechnologien der Metallverarbeitung von der Grundlagenforschung bis zur Industriereife und engagiert sich mit umfassendem Know-How und exklusiver technischer Ausstattung, um spezielle Problemstellungen der Metallverarbeitung zu lösen. Anfang Januar dieses Jahres wurde es in die Leibniz-Gemeinschaft aufgenommen. Einen feierlichen Festakt gab es auf Einladung der Wissenschaftssenatorin, Professorin Eva Quante-Brandt, am 30. Januar im Bremer Rathaus.

Wissenschaftsrat: Bremische Allianz als gutes Beispiel für Kooperation

Die Zusammenarbeit zwischen der Universität Bremen und den außeruniversitären Forschungseinrichtungen rund um den Campus und im Land Bremen hat eine lange Tradition. In der 2016 gegründeten Allianz sind neben der Universität Mitgliedseinrichtungen aller großen deutschen Wissenschaftsorganisationen versammelt. Die Partner wollen damit die bereits bestehende wissenschaftliche Kooperation aller Einrichtungen intensivieren und in den Bereichen Service und Verwaltung noch enger zusammen arbeiten. „Eine starke Universität befördert starke außeruniversitäre Forschungseinrichtungen, und starke außeruniversitäre Forschungseinrichtungen befruchten die universitäre Entwicklung“, sagt der Rektor der Universität Bremen. Dies sieht auch der Wissenschaftsrat so: In seinen kürzlich veröffentlichten „Empfehlungen zu regionalen Kooperationen wissenschaftlicher Einrichtungen“ portraitiert er  die Bremische Allianz als Beispiel guter Kooperation.

Die zwölf Mitglieder der U Bremen Research Alliance:

1. Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar-und Meeresforschung (AWI)

2. Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz Bremen (DFKI)

3. Deutsches Schiffahrtsmuseum - Leibniz-Institut für deutsche Schifffahrtsgeschichte (DSM)

4. DLR Institut für Raumfahrtsysteme

5. Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin (MEVIS)

6. Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)

7. Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES)

8. Leibniz-Institut für Präventionsforschung und Epidemiologie – BIPS

9. Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT (Leibniz-IWT)

10. Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT)

11. Max-Planck-Institut für Marine Mikrobiologie (MPI)

12. Universität Bremen

Weitere Informationen:

www.uni-bremen.de/research-alliance

www.wissenschaftsrat.de/download/archiv/6824-18.pdf

Fragen beantwortet:

Derk H. Schönfeld
Geschäftsführer
U Bremen Research Alliance
Tel. +49 421 218 60019
E-Mail: derk.schoenfeld@vw.uni-bremen.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

associated with MAPEX Research Highlight 2018:

Three-dimensional modeling of the microstructure evolution during metal additive manufacturing

Authors:

O.Zinovieva, A. Zinoviev, V. Ploshikhin

Journal:

Computational Material Science(2018) 141;207-220.

Große und illuminierte Bilder kleiner metallischer Mikrobauteile, Umformwerkzeuge, Werkstoffe und Maschinen – diese präsentiert der Sonderforschungsbereich (SFB) 747 der Universität Bremen vom 23. Dezember 2017 bis zum 31. Januar 2018 im citylab (Hanseatenhof 9) in der Bremer Innenstadt.

Mikrobauteile als Kunstobjekt

Passend zur dunklen Jahreszeit zeigt die Ausstellung „Spotlights zur beherrschten Massenproduktion von Mikrobauteilen“ Facetten der Massenproduktion metallischer Mikrobauteile in großformatigen illuminierten Fotos. In insgesamt sieben Bildern stellt der SFB 747 unter anderem Umformprozesse, die Herstellung von Umformwerkzeugen und Methoden zur Werkstoffuntersuchung dar. Die großformatigen Werke mit einer Höhe von zweieinhalb Metern und einer Breite von einem Meter vermitteln eindrucksvoll die Mikrowelt der Forschung des Sonderforschungsbereichs. Mikrobauteile sind in mindestens zwei Dimensionen kleiner als ein Millimeter und werden beispielsweise in Smartphones, Fahrerassistenzsystemen und Hörgeräten verbaut. Ihre geringe Größe bedeutet für die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen, dass sie sich mit physikalischen Effekten konfrontiert sehen, die in der Alltagswelt nicht zum Tragen kommen.

Der Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“

Der Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“ der Universität Bremen ist ein instituts- und fachbereichsübergreifender Forschungsverbund. Er erforscht die systematische Auslegung und den zuverlässigen Einsatz von Umformprozessen im Mikrobereich. Das zentrale Ziel des Sonderforschungsbereichs ist die Bereitstellung von Methoden und Prozessen für die industrielle Herstellung metallischer Mikrobauteile mit Losgrößen von über eine Million Stück. Der SFB 747 besteht seit 2007 und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Über 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Bereichen Produktionstechnik, Mathematik, Informatik, Physik und Elektrotechnik forschen hier interdisziplinär.

Weitere Informationen:
www.mikromal.de
www.sfb747.uni-bremen.de
www.facebook.de/sonderforschungsbereich747

Fragen beantwortet:

Universität Bremen
Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“
Malte Behlau (Projektkoordinator „mikromal“)
Tel.: 0421/218-58022
E-Mail: behlau@bias.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Diese erfreuliche Nachricht bedeutet gleichzeitig, dass die Deutsche Forschungsgemeinschaft zuletzt sämtliche hochrangige Förderanträge der Universität Bremen bewilligt hat – die Einrichtung eines neuen Sonderforschungsbereiches (SFB) und die Verlängerung eines bestehenden SFB im November sowie jetzt die Verlängerung der beiden Graduiertenkollegs im Dezember. Die Gesamtfördersumme, die die DFG der Universität Bremen in nur wenigen Wochen zugesprochen hat, beläuft sich damit auf mehr als 28 Millionen Euro.

Was sind Graduiertenkollegs?

Graduiertenkollegs sind Einrichtungen an Universitäten, welche für maximal neun Jahre durch die DFG gefördert werden. Ihr Zweck ist die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, konkret: die Qualifizierung von Doktorandinnen und Doktoranden. „Dabei soll der wissenschaftliche Nachwuchs einerseits zu einem ganz bestimmten Themenkomplex forschen. Andererseits muss ein strukturiertes Konzept vorliegen, nach dem die Expertinnen und Experten von morgen ausgebildet werden“, erläutert Professor Andreas Breiter (Konrektor für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs). Graduiertenkollegs arbeiten über Fachgrenzen hinweg. Sie bereiten die Promovierenden gezielt auf den vielschichtigen Arbeitsmarkt vor und fördern ihre frühe wissenschaftliche Selbstständigkeit.

MIMENIMA: Neuartige poröse Materialstrukturen für technologische Anwendungen

Energie-, Umwelt-, Verfahrens- und Raumfahrttechnik: Das sind die Technologiebereiche, in denen sich die Forschungsarbeiten des Graduiertenkollegs MIMENIMA bewegen. Die Abkürzung steht für „Mikro-, meso- und makroporöse nichtmetallische Materialien: Grundlagen und Anwendung GRK 1860“. Klingt kompliziert, ist es aber nicht: „Die wegweisende Forschungsidee dahinter ist, neuartige, poröse keramische Strukturen und ihre Oberfläche für den Einsatz bei wichtigen Anwendungen in den genannten Technologiebereichen maßzuschneidern“, erläutert Professor Kurosch Rezwan, Sprecher des Graduiertenkollegs.

Frauenquote liegt bei bemerkenswerten 45 Prozent

Technische Keramik ist äußerst beständig und widerstandsfähig. Sie verspricht einen besonders nachhaltigen technologischen Einsatz und ermöglicht ganz neue Anwendungen, die mit anderen Werkstoffen nicht möglich sind. Je nach Anwendungsfall müssen neue komplexe Materialstrukturen und eine spezielle Oberflächenchemie entwickelt werden.

In dem Kolleg kommen deshalb neueste Herstellverfahren zum Einsatz, die in den vergangenen Jahren in Bremen entscheidend weiterentwickelt wurden. „Das Graduiertenkolleg ist mit seiner thematischen Ausrichtung ideal in den Wissenschaftsschwerpunkt ‚Materialwissenschaften‘ der Universität Bremen verankert und stärkt diesen weiter“, betont Professor Rezwan. Was ihn neben der Weiterförderung zusätzlich freut, ist die außerordentlich hohe Frauenquote – sie liegt bei 45 Prozent, was für ein technisch ausgerichtetes Kolleg bemerkenswert ist.

ArcTrain: Dem Klimawandel in der Arktis auf der Spur

Die Arktis ist im Wandel: Die Temperaturen steigen doppelt so schnell wie im globalen Durchschnitt, das Meereis nimmt ab, die Eismassen auf den Kontinenten schmelzen. Als Folge werden nicht nur Ablagerungsräume und Ökosysteme der Polarmeere verändert. Durch eine komplexe Verkettung physikalischer und chemischer Prozesse beeinflusst die Arktis auch weltweit das Klima und den Lebensraum der Menschen. Die zahlreichen Rückkopplungsprozesse zwischen dem Eis, dem Ozean und der Atmosphäre erschweren auch die Vorhersage, wie das System auf den Klimawandel reagiert.

Deshalb ist das ArcTrain-Team seit 2013 den Prozessen und Auswirkungen des Klimawandels in der Arktis auf der Spur. Neben der Universität Bremen und dem Bremerhavener Alfred-Wegener-Institut Helmholtz-Zentrum für Polar und Meeresforschung (AWI) sind acht kanadische Partneruniversitäten in Calgary, Edmonton, Halifax, Montréal (mit zwei Hochschulen), Rimouski, St. Johns und Vancouver beteiligt. In Bremen ist das Projekt am MARUM – Zentrum für marine Umweltforschung angesiedelt. Getragen wird es von 13 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Geowissenschaften, der Umweltphysik und der Physischen Geographie, deren Expertise in der Ozeanographie, der Meeresgeologie, der Erdsystemmodellierung, der Glaziologie und der Fernerkundung liegt.

ArcTrain wird nicht alleine von der DFG, sondern auch vom kanadischen National Science and Engineering Research Council (NSERC) finanziert. Nachwuchskräfte werden sowohl in Bremen als auch in Kanada auf ihrem Weg zur Promotion ausgebildet. Die Anziehungskraft des Projekts ist groß: Schon bald nach dem Start 2013 hat ArcTrain weitere anderweitig finanzierte Doktorandinnen und Doktoranden aufgenommen. Aktuell bietet das Kolleg rund 40 Promovierenden ein akademisches Zuhause.

International Forschen und Promovieren

Die intensive Arbeit der Kollegiatinnen und Kollegiaten hat neue Informationen über dem Zusammenhang zwischen Meereserwärmung und Stabilität der arktischen Gletscher geliefert, Modelle und Beobachtungen der Ausdehnung von Meereis verbessert und den Transport von Wärme aus dem Nordatlantik beleuchtet. Ein besonderer Erfolg ist die Durchführung zahlreicher gemeinsamer Schiffsexpeditionen in die Region.

Mit den 3,5 Millionen Euro, die die DFG nun für die Verlängerung dieses Kollegs beschlossen hat, werden bis 2022 zwölf Doktorandinnen und Doktoranden finanziert. Zusammen mit Kolleginnen und Kollegen aus Kanada werden sie die Arktis vor Ort am Land und Meer erleben und erlernen. Durch gemeinsames Forschen und Lernen werden sie sich auf ihre zukünftigen Karrieren vorbereiten. „Die Internationalität ist die besondere Stärke des Kollegs“, sagt Professor Michal Kucera, Sprecher von ArcTrain an der Universität Bremen: „Durch Forschungsaufenthalte an Partneruniversitäten erlangen die Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler Zugang zur Expertise unserer kanadischen Partner und bauen ihre akademischen Netzwerke aus.“

Fragen zur materialwissenschaftlichen Graduiertenkolleg MIMENIMA beantworten:

Dr. Michaela Wilhelm (wissenschaftliche Koordinatorin) und
Prof.Dr.-Ing. Kurosch Rezwan (Sprecher)

Fachbereich Produktionstechnik

Keramische Werkstoffe und Bauteile
Tel.: 0421/218-64930
E-Mail: mwilhelm@uni-bremen.de , krezwan@uni-bremen.de 
www.mimenima.uni-bremen.de

Fragen zum Geowissenschaftlichen Graduiertenkolleg ArcTrain beantwortet:

Prof.Dr. Michal Kucera (Sprecher)
Fachbereich Geowissenschaften
Zentrum für Marine Umweltwissenschaften (MARUM)
Tel.: 0421/218-65970
E-Mail: mkucera@marum.de
www.marum.de/ArcTrain.html

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

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MAPEX NEWSletter Archive >

Es ist eine Frage von großer Bedeutung für die deutsche Energiewirtschaft: Wie sieht es mit der Lebensdauer der Leistungselektronik in Windenergieanlagen aus? Welche Umwelt- und Lastbedingungen spielen für die Lebensdauer eine Rolle? Für die Beantwortung dieser Fragen hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie jetzt 11,5 Millionen Euro bereitgestellt. Diese Summe geht an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Bremen und des Fraunhofer IWES in Bremerhaven – eine Auszeichnung für das Land Bremen als Wissenschaftsstandort. Gemeinsam mit Industriepartnern erforschen sie in den kommenden drei Jahren im Verbundprojekt „Multidimensionale Belastungen der Hochleistungselektronik von Windenergieanlagen“ – kurz „HiPE-WiND“ – wie sich die reale Lebensdauer der Leistungselektronik unter vielfältigen Einflüssen verändert.

Einflussfaktoren besser kennenlernen

„Wir wollen die Faktoren besser kennenlernen, die die Lebensdauer der Leistungselektronik beeinflussen“, erklärt Professor Bernd Orlik vom Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB) der Universität Bremen. „Die Ausfallursachen sollen grundlegend erforscht werden. Wir wollen Konzepte für eine Optimierung der Robustheit von Leistungselektronik entwickeln und diese dann auch experimentell überprüfen.“ Im Mittelpunkt stehe dabei die Offshore-Windenergie: „Bei Anlagen auf hoher See kommt es noch stärker als auf dem Land auf eine hohe Zuverlässigkeit an, denn für Reparaturen oder Wartungen kommt man dort nicht so schnell und einfach hin“, so Orlik. „Bislang ist noch zu wenig darüber bekannt, wie die speziellen Umweltbedingungen und Betriebssituationen, denen die jeweilige Leistungselektronik dort ausgesetzt ist, sich auf die Lebensdauer auswirkt.“ Professor Nando Kaminski (ebenfalls IALB) ergänzt: „Aus unseren bereits 2009 begonnen Vorarbeiten ist bereits bekannt, dass Feuchte besonders für die Leistungshalbleiterkomponenten kritisch ist. Elektrochemische Vorgänge wie Korrosion können schnell zum Ausfall der Bauelemente führen.“

Um zu fundierten und gleichzeitig anwendungsnahen Ergebnissen zu kommen, arbeiten Wissenschaft und Industrie bei „HiPE-WiND“ eng zusammen. Neben dem genannten IALB und dem Fraunhofer IWES sind die Unternehmen Enercon (Wobben Research and Development) GmbH, Breuer Motoren GmbH und wpd windmanager GmbH & Co. KG am Verbundprojekt beteiligt.

Starke multidimensionale Belastungen in der Windenergie

Die Leistungselektronik ist ein zentraler Teil von Windenergieanlagen, denn sie „steuert“ den elektrischen Energiefluss der Anlage. „Sie wird dabei sehr stark beansprucht“, erläutert Professor Jan Wenske vom Fraunhofer IWES. „Die Belastungen kommen von mehreren Seiten – den sich ständig ändernden Windbedingungen und den Belastungen aus dem Netz. Der Wind kann schwach oder stürmisch wehen und in kurzer Zeit starke Wechsel vollziehen; Netzbelastungen ergeben sich durch Spannungs- oder Stromstöße aufgrund von Schalthandlungen, Kurzschlüssen oder Blitzeinschlägen.“

Hinzu kommen vielfältige Umwelteinflüsse: große Temperatursprünge, stark schwankende Luftfeuchtigkeit bis hin zur Kondensation, Wechselwirkungen der verschiedenen mechatronischen Antriebsstrangsysteme untereinander. Selbst innerhalb eines Windparks können die Belastungen, denen die Leistungselektronik in den einzelnen Anlagen ausgesetzt ist, stark voneinander abweichen. Entscheidend für die Zuverlässigkeit und Lebensdauer einer Leistungselektronik ist letztlich immer die Kombination von Belastungen in der jeweiligen Anlage.

Multidimensionale Belastungsuntersuchungen im Labor

In Rahmen des Forschungsprojektes sind umfangreiche experimentelle Untersuchungen im Labor geplant. Dabei werden komplette Umrichtersysteme im Multi-Megawattbereich den unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt. Professor Orlik: „Wir wollen erforschen, wie sich die äußeren Umgebungsbedingungen der Stromrichter in den Innenraum übertragen. Welche Einflüsse ergeben sich daraus auf die dort befindlichen Bauteile und Komponenten? Welche Wirkung hat das – in Verbindung mit den elektrischen Lasten – für die Systemlebensdauer?“

Eine große Rolle spielen dabei die Konstruktionsvarianten der Stromrichter-Hersteller sowie die eingesetzten Bauteile und Komponenten, aber auch die Kühl- und Belüftungskonzepte. „Im Labor wird der gezielte Betrieb unter besonders kritischen Gesamtbedingungen simuliert. Dadurch wollen wir eine beschleunigte Alterung der Umrichterkomponenten erzwingen“, sagt Professor Wenske zum Projektansatz. Im Ergebnis wollen die Forscherinnen und Forscher effiziente Testprozeduren herausarbeiten, aber auch Hinweise auf Schwachstellen in der Systemhardware finden und analysieren. Durch die gezielte Beeinflussung der elektrischen Belastungen innerhalb der Anlage – also „smarte Betriebsführungsstrategien“ – will man eine Erhöhung der Umrichterlebensdauer erreichen.

10 Megawatt-Lastprüfsystem für Leistungselektronik geplant

Um die Hochleistungselektronik der Windenergieanlagen unter kombinierten klimatischen und elektrischen Belastungen realitätsnah untersuchen zu können, werden in Bremen in Kürze Test- und Versuchseinrichtungen entstehen. Hier werden dann ganze Stromrichter für Windenergieanlagen mit Leistungen bis 10 Megawatt vorher definierten Umweltbedingungen ausgesetzt. „Wie legen beispielsweise ganz bestimmte Abläufe von Temperaturschwankungen und Feuchtigkeitseinwirkungen fest. Im Klartext: Mal lassen wir die Stromrichter bei großer Kälte arbeiten, dann wieder bei Hitze und hoher Luftfeuchtigkeit“, so Orlik. „Gleichzeitig werden sowohl die ‚normalen‘ elektrischen Belastungen als auch nachgebildeten Störungen und Systemwechselwirkungen beliebig oft ‚angewendet‘“.

Dieses Testsystem mit allen notwendigen Funktionsumfängen, skalierbarer Leistung und Betriebsspannung soll im Rahmen des Projektes zur Überprüfung von technischen Lösungen entwickelt, aufgebaut und in Betrieb genommen werden. Damit entsteht in der Hansestadt eine herstellerneutrale, multimodale Lastprüfeinrichtung für Hochleistungselektronik von heutigen und zukünftigen Windenergieanlagen.

Fragen beantworten:

Prof.Dr.-Ing. Bernd Orlik
Universität Bremen
Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB)
Tel. 0421/218-62680
E-Mail: b.orlik@ialb.uni-bremen.de

Prof.Dr.-Ing. Jan Wenske
Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme
E-Mail: jan.wenske@iwes.fraunhofer.de

Weitere Informationen zu den Verbundpartnern unter
www.ialb.uni-bremen.de
www.iwes.fraunhofer.de
www.enercon.de
www.breuer-motoren.de
www.windmanager.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Sie gehören zu den komplexesten Forschungsgeräten der Welt: Der Europäische Röntgenlaser European XFEL in der Metropolregion Hamburg und der Schweizer Röntgenlaser SwissFEL am Paul Scherrer Institut (PSI) in Villigen. Die beiden Aufsehen erregenden Großanlagen – die Abkürzung FEL steht für „Freie-Elektronen-Laser“ – sind vor einigen Wochen in Betrieb gegangen. Wer damit forschen will, muss schon sehr gut sein – denn die Messzeit an diesen Großgeräten ist äußerst kostbar und nur die aussichtreichsten Vorhaben von hoher Qualität und Relevanz können die ultramodernen Röntgenlaser nutzen. Die Chemiker Dr. Matthias Vogt, Dr. Marian Olaru und Professor Jens Beckmann vom Institut für Anorganische Chemie und Kristallographie (IACK) der Universität Bremen zählen dazu. Und nicht nur das: Sie gehörten sowohl in Hamburg als „Early Users“ als auch aktuell in der Schweiz innerhalb von Pilotexperimenten zu den ersten internationalen Wissenschaftler-Teams, die die neuen Großanlagen für Experimente nutzen.

„Große Auszeichnung für meine Kollegen und mich“

„Für meine Kollegen und mich ist das eine große Auszeichnung“, sagt der Bremer Nachwuchswissenschaftler Dr. Matthias Vogt. Aktuell führt der Chemiker innerhalb einer Kooperation mit den Experten um Dr. Christopher Milne am renommierten Paul-Scherrer-Institut in Villigen Pilotexperimente mit dem brandneuen Röntgenlaser SwissFEL durch. Seine Forschungen bewegen sich auf einem Gebiet, das momentan als eine der interessanten Zukunftstechnologien weltweit sowohl in der Wissenschaft als auch der Wirtschaft im Zentrum der Aufmerksamkeit steht: OLEDs. Die Abkürzung bezeichnet organische LEDs, „das Licht der Zukunft“, wie Matthias Vogt sagt.

Gegenüber den herkömmlichen LEDs, die ihrerseits bereits ein Quantensprung bei der effizienten Erzeugung von Licht waren, haben OLEDs zahlreiche Vorteile. Sie sind wesentlich flexibler und äußerst energiesparend. „Künftige Anwendungen können beispielsweise flexible – also biegsame oder verformbare – Displays sein“, so der Bremer Chemiker zu den möglichen Anwendungen. „Auch für die Flächenbeleuchtung werden sie eines Tages eine wichtige Rolle spielen. Statt wie heute mit LED-Lampen spotähnliche Beleuchtung zu schaffen, wird man mit OLEDs Licht förmlich an Wände und Decken ‚tapezieren‘ können.“ Diese Lichtwände könnten dann ebenso ihre Farbe wechseln wie auch bewegte Bilder wiedergeben, also als Display funktionieren. Weil weltweit bis zu 30 Prozent der elektrischen Energie für Beleuchtung verwendet wird, ergibt sich durch die Energieeffizienz der OLEDs ein hohes wirtschaftliches Potenzial. Zudem gibt es eine wichtige ökologische Komponente: OLEDs würden massive CO2-Einsparungen ermöglichen.

OLEDs lassen sich sogar aufdrucken

„Man könnte OLEDs, die selbstleuchtend sind – also nicht wie aktuelle Displays und Bildschirme eine Hintergrundbeleuchtung brauchen – sogar in Flüssigkeiten lösen und ähnlich wie Farbe einfach aufdrucken. Das wird der Verpackungsindustrie ganz neue Wege eröffnen, wenn man Werbung oder Produktbezeichnungen einfach auf Behälter flexibel aufbringen und somit ‚smarte Verpackungen‘ designen kann“, nennt Matthias Vogt ein weiteres attraktives Einsatzgebiet. Dazu kommt die wesentliche größere Farbbrillanz und der höhere Kontrastreichtum der OLED-basierten Displays.

Die Grundlagenforschung der Bremer Wissenschaftler befasst sich allerdings nicht mit den später möglichen Anwendungen, sondern mit ganz konkreten Problemen der Lichterzeugung: „OLED-Displays werden bereits hergestellt und eingesetzt. Im Display des neuen Apple IPhone X wird beispielsweise eine OLED-basierte Technologie genutzt. Aber weil zur Herstellung von OLEDs sehr seltene Edelmetalle wie Iridium oder Platin genutzt werden, sind sie derzeit noch sehr teuer.“

Neue Substanzklasse auf Kupferbasis entwickelt

Für eine Massenanwendung müssen OLEDs also signifikant billiger werden. Genau dies wollen Matthias Vogt, Marian Olaru und Jens Beckmann ermöglichen – und sie sind auf einem guten Weg. Es ist ihnen nämlich in den Laboren ihres Uni-Instituts gelungen, eine neue Substanzklasse zu entwickeln, die auf Kupferverbindungen beruht. Auf molekularer Ebene haben sie einen Cluster von Kupferkernen geschaffen. Er ist fast vollständig von einer schützenden Hülle umschlossen, die auf Kohlenstoff und Phosphor basiert. „Eigentlich sind Kupfer-Kohlenstoff-Bindungen sehr labil und luftempfindlich. Wir konnten aber ein System schaffen, das äußerst stabil und robust ist.“ Weil dies ein wichtiger Schritt hin zu neuen wesentlich günstigeren Lichterzeugern bedeuten kann, hat das Chemiker-Trio zusammen mit der Universität Bremen mittlerweile eine Patentanmeldung für diese Erfindung eingereicht.

Denn die Vorteile der „Bremer Substanzklasse“ sind offensichtlich. Die Herstellung der neuartigen Kupfer-Cluster ist einfach und kostengünstig, die Lichtausbeute äußerst effizient. Gegenüber Umwelteinflüssen sind die Verbindungen widerstandsfähig, in organischen Lösungsmitteln sind sie sehr gut löslich und stabil. Der wohl wichtigste Faktor ist aber die günstige Produktion: „Kupfer ist auf der Welt in großen Mengen vorhanden. Und wenn etwas für den Massenmarkt tauglich sein soll, muss es eben günstig herzustellen sein“, so Matthias Vogt.

Großforschungsanlagen ermöglichen wichtige Schritte

Die Experimente mit den neuen Großforschungsgeräten SwissFEL am PSI in Villigen und European XFEL in der Metropolregion Hamburg ermöglichen den Bremer Chemikern jetzt weitere wichtige Schritte. Matthias Vogt ist ganz begeistert von den Möglichkeiten der riesigen Röntgenlaser, von denen es insgesamt weltweit nur fünf gibt: „Wunderwerke der Technik, geplant und realisiert von Spezialisten aus der ganzen Welt.“ Der Europäische Röntgenlaser in der Metropolregion Hamburg hat 1,22 Milliarden Euro gekostet. „Die Tunnel-Anlage ist 3,4 Kilometer lang und liegt bis zu 38 Meter tief“, erklärt Vogt.

Beiden Anlagen ist gemein, dass sie die hellsten Röntgenblitze der Welt erzeugen können. Diese sind nur Femtosekunden (billiardstel Sekunden) lang. In einer Sekunde können tausende Lichtblitze abgegeben werden. Diese Technologie soll neue Einblicke in Nanomaterialien, Biomoleküle und chemische Reaktionen schaffen – und genau das ist auch das Ansinnen von Matthias Vogt. Als Teil eines internationalen Teams von Wissenschaftlern aus der Schweiz, Dänemark, Russland und Deutschland sowie den Experten vor Ort war er vor einigen Wochen gemeinsam mit Marian Olaru in Hamburg einer der ersten Nutzer der neuen Möglichkeiten – und ist es nun aktuell in der Schweiz. „Mit den neuen Röntgenlasern können wir erstmals detailliert verfolgen, was in unseren Verbindungen im angeregten Zustand strukturell passiert. Wir können also genau die ultra-schnellen Prozesse untersuchen, die zur Lichtemission wichtig sind‚‘“, so Vogt. „Das war vorher nicht möglich.“

Molekularen Prozessen auf der Spur

Während man in Hamburg den inneren Kupferkern untersucht habe, konzentriert man sich in der Schweiz jetzt gezielt auf die umhüllende Kohlenstoff-Phosphor-Schicht. Die Technologie, die am SwissFEL zur Verfügung steht, erlaubt es speziell diese feinen Strukturen im Detail zu untersuchen. „Für uns sind die Beobachtungen und Ergebnisse aus den Versuchsreihen unglaublich wichtige Informationen“, sagt der Bremer Chemiker. „Als Grundlagenforscher wollen und müssen wir natürlich nachvollziehbar wissen, welche Reaktionen und Geschehnisse auf molekularer Ebene ablaufen. Nur dann wissen wir auch, an welchen Stellschrauben wir drehen müssen, um unsere Entwicklung noch besser und effizienter zu machen.“ Das Licht der Zukunft soll eine gute Grundlage haben.

Fragen beantwortet:

Dr. Matthias Vogt
Universität Bremen
Institut für Anorganische Chemie und Kristallographie (IACK)
Telefon: 0152/36680126 oder 0421/218-63162
E-Mail: mavogt@uni-bremen.de
Web: www.vogt-group-chem.org

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

associated with MAPEX Research Highlight 2018:

Model-assisted measuring method for periodical sub-wavelength nanostructures

Authors:

G.Alexe, A.Tausendfreund, D. Stöbener, A. Fischer

Journal:

Applied Optics (2018) 57, 92-101.

Erforschung elektrochemischer Interaktion

Die Nutzung regenerativer Energie aus Wind oder Wasser gewinnt immer mehr an Bedeutung. Auch für die Entwicklung effizienterer Batteriespeichersysteme beispielsweise sind Erkenntnisse über die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie notwendig. La Mantia wird den ERC Consolidator Grant daher vor allem für die Grundlagenforschung im Bereich “ElIonT” (Electron- and Ion Transfer at the Interface: a Hyphenated Dynamic Multi-Frequency Approach) nutzen. Er möchte untersuchen, wie fortgeschrittene analytische Methoden, Modellierung und präzise experimentelle Designs kombiniert werden können, um den Effekt der nicht-idealen Teilcheninteraktion im Prozess der Ladungsübertragung an der Fest-Flüssig-Grenzfläche besser zu erforschen. Dieser Prozess ist die Basis aller elektrochemischen Systeme, inklusive Brennstoffzellen, Elektrolyseuren und Batterien, die in der Energiewende viel diskutiert werden. Das Verständnis solcher Interaktionen würde erlauben, verbesserte Systeme zu entwickeln und zu gestalten.

Ziel dieses Projektes ist die Erweiterung der idealen Theorie der Ladungsübertragung auf die reale Welt, also die Erforschung elektrochemischer Interaktionen. „Die fünfjährige Förderung vom ERC ist eine wunderbare Möglichkeit, meine Forschungsidee gemeinsam mit meiner Forschungsgruppe umzusetzen. Mit den zusätzlichen Mitteln können wir die komplexen Experimente viel schneller und in größerem Umfang durchführen. Die Bedingungen, die sich durch die Zusammenarbeit der Produktionstechnik an der Universität Bremen mit dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM ergeben, sind hierfür optimal“, freut sich La Mantia.

Von Italien nach Bremen

La Mantia absolvierte sein Masterstudium in Chemieingenieurswesen an der Universität von Palermo (Italien) und promovierte 2004 an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich und dem Paul Scherrer Institut (Schweiz). Nach Stationen an der Stanford Universität in Kalifornien und am Lehrstuhl für Analytische Chemie an der Ruhr-Universität Bochum erhielt Fabio La Mantia 2015 einen Ruf an die Universität Bremen. Dort hat er eine Brückenprofessur im Fachgebiet „Energiespeicher- und Energiewandlersysteme“ des Fachbereichs Produktionstechnik – Maschinenbau und Verfahrenstechnik – inne. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM setzt er seine Forschung an wässrigen Zink-Ionen Batterien, der Wiedergewinnung von Energie aus Salzwasser und Wärme und dem Modellieren von elektrochemischen Systemen weiter um. Forschungszweck ist unter anderem die Entwicklung von Batterien mit längerer Lebensdauer für stationäre Anwendungen in der Industrie.

Der ERC-Grant: eine begehrte Auszeichnung

Der ERC Consolidator Grant ist eine der höchstdotierten Fördermaßnahmen der Europäischen Union für einzelne Wissenschaftler. Der Europäische Forschungsrat unterstützt damit exzellente junge Forscherinnen und Forscher, die am Beginn einer unabhängigen Forschungskarriere stehen.

Weitere Informationen:
Universität Bremen
Fachbereich 04: Produktionstechnik
Fachgebiet Energiespeicher- und Energiewandlersysteme
Prof.Dr. Fabio La Mantia
Tel.: +49 421 2246-7331
E-Mail: lamantia@uni-bremen.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Es sind großartige Nachrichten für die Universität Bremen und eindeutige Bestätigungen für die exzellente Leistung Bremer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler: Bei seiner Herbstsitzung in Bonn hat der Bewilligungsausschuss der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) nach sehr positiver Begutachtung jetzt beschlossen, einen neuen sozialwissenschaftlichen Sonderforschungsbereich (SFB) an der Universität Bremen zu fördern. Der SFB 1342 „Globale Entwicklungsdynamiken von Sozialpolitik“ startet am 1. Januar 2018 und erhält in den ersten vier Jahren rund 11 Millionen Euro. Damit nicht genug: Die DFG beschloss zudem die vierjährige Verlängerung des Transregionalen Sonderforschungsbereiches (SFB/TRR) 136 „Funktionsorientierte Fertigung auf der Basis charakteristischer Prozesssignaturen“. Nach äußerst erfolgreicher Arbeit in der ersten Förderphase (seit 2014) kann der SFB/TRR seine Arbeit nun mit weiteren 9,5 Millionen Euro bis 2021 fortsetzen.

Fertigungstechnischer SFB „Prozesssignaturen“ geht in die zweite Förderphase

Was der sozialwissenschaftliche Sonderforschungsbereich noch vor sich hat, hat der transregionale SFB „Funktionsorientierte Fertigung auf der Basis charakteristischer Prozesssignaturen“ schon hinter sich: die erste Förderphase. Um jetzt in die Verlängerung gehen zu können, mussten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in den vergangenen vier Jahren erfolgreiche Arbeit leisten und einen überzeugenden Fortsetzungsantrag stellen. Das ist gelungen: Mit der Bewilligung und positiven Begutachtung ist nun der Startschuss für eine zweite Förderung über insgesamt 9,5 Millionen Euro ab dem 1. Januar 2018 gefallen. Neben der Universität Bremen sind an dem SFB die RWTH Aachen und die Oklahoma State University beteiligt.

„Die Verlängerung des SFB ist für uns ein großartiger Erfolg. Das gesamte Team hat bereits in der ersten Förderphase tolle Forschungsergebnisse erzielt. Wir freuen uns außerordentlich, diese Arbeit nun fortführen zu können“, sagt Professor Ekkard Brinksmeier (Fachbereich Produktionstechnik), der Initiator und Sprecher des Sonderforschungsbereichs.

Prozesssignaturen – ein neuer Ansatz in der werkstofforientierten Fertigung

In den nächsten vier Jahren ist es das Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im SFB, das Konzept der sogenannten „Prozesssignaturen“ weiterzuentwickeln. Prozesssignaturen sind ein neuer Ansatz in der werkstofforientierten Fertigung. Ein Beispiel: Bei der industriellen Produktion von Zahnrädern für Windkraftanlagen, die im Betrieb sehr hoch belastet werden, kann man Maße, Formen und die Oberflächengeometrie gezielt herstellen. Doch die Oberflächen dieser Bauteile haben zudem sogenannte Randzoneneigenschaften, beispielsweise Eigenspannungen und Härte. Diese Eigenschaften lassen sich bislang noch nicht systematisch einstellen. Genau diese Parameter sind allerdings für die Lebensdauer und das Betriebsverhalten der Bauteile von entscheidender Bedeutung, denn die Beanspruchungen durch Betriebslasten wirken von der Oberfläche aus auf das gesamte Bauteil.

Es ist daher wichtig, die Vorgänge im Fertigungsprozess genau zu verstehen, die die Werkstoffeigenschaften verändern. Diese Vorgänge sollen in einer neuen und einheitlichen Schreibweise konkretisiert werden – den „Prozesssignaturen“. In der ersten Förderphase des SFB ist es den Forscherinnen und Forschern gelungen, das Konzept der Prozesssignaturen unter vereinfachten Bedingungen grundsätzlich zu belegen. In der zweiten Förderphase sollen diese Signaturen nun in Richtung industrieller Anwendbarkeit weiterentwickelt werden. Das Fernziel ist es schließlich, mit Prozesssignaturen die Funktionseigenschaften und damit die Bauteilqualität gezielt anzupassen.

Weitere Informationen zum SFB/TRR 136 „Prozesssignaturen“:

Dr.-Ing Jens Sölter
Geschäftsführer SFB/TRR 136
Tel.: 0421/218-51187
E-Mail: soelter@iwt-bremen.de

Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. h.c. Dr.-Ing. E.h. Ekkard Brinksmeier
Sprecher SFB/TRR 136
Tel.: 0421/218-51101
E-Mail: brinksmeier@iwt-bremen.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Fabio La Mantia wurde im Juli 2015 in Kooperatin mit dem Fraunhofer IFAM für das Fachgebiet Energiespeicher- und Energiewandlersysteme am Fachbereich Produktionstechnik berufen.

Link zur Pressemitteilung des ERC.

associated with MAPEX Research Highlight 08-2017:

Structural and spectroscopic comparison between polycrystalline, nanocrystalline and quantum dot visible light photo-catalyst Bi₂WO₆

Authors:

Michael Teck, M. Mangir Murshed, Marco Schowalter, Niels Lefeld, Henrike K. Grossmann, Tim Grieb, Thomas Hartmann, Lars Robben, Andreas Rosenauer, Lutz Mädler and Thorsten M. Gesing.

Journal:

Journal of Solid State Chemistry (2017) 254, 82–89.

Feierliche Übergabe findet am Mittwochabend, 22. November 2017, auf dem Campus statt / Fototermin mit der Preisträgerin und den beiden Preisträgern ist um 17:45 Uhr im Gebäude GW2

Für ihr außergewöhnliches Engagement in der Lehre erhalten die Psychologin Dr. Iris Stahlke, der Rechtswissenschaftler Dr. Dennis-Kenji Kipker und der Materialwissenschaftler  Professor Lucio Colombi-Ciacchi dieses Jahr den Berninghausen-Preis für hervorragende Lehre. Die Auszeichnung ist mit insgesamt 6.000 Euro dotiert und wird von den „unifreunden“ (Gesellschaft der Freunde der Universität Bremen und der Jacobs University) auf Vorschlag der Universität Bremen vergeben. Die feierliche Preisübergabe erfolgt am Mittwoch, 22. November 2017, um 18 Uhr im Gebäude GW 2, Raum B 3009, der Universität Bremen.

Forschendes Lernen im Bachelor

Iris Stahlke vom Fachbereich Human- und Gesundheitswissenschaften erhält die Auszeichnung in der Kategorie „Hervorragend gestaltete Lehrveranstaltung im Sinne des forschenden Lernens im Bachelor“. Konkret geht es um die Vorlesung „Grundlagen, Paradigmen und Ethik der Beratung“. Studierende haben hier die Möglichkeit zur aktiven Mitarbeit am sozialpsychologischen Forschungsprojekt „Gewalt in Teenagerbeziehungen“. Unter anderem führen sie in Schulen oder Beratungseinrichtungen Einzelinterviews und Gruppendiskussionen durch. In ihrer Begründung hebt die Jury die Mischung aus Wissenschaftsbezug und Praxisnähe hervor.

Forschendes Lernen im Master

Für das Seminar „IT-Sicherheitsrecht“ wird der Rechtswissenschaftler Dennis-Kenji Kipker in der Kategorie „Hervorragend gestaltete Lehrveranstaltung im Sinne des forschenden Lernens im Master“ ausgezeichnet. Die Veranstaltung richtet sich an Studierende der Informatik und der Rechtswissenschaften. Ziel ist es, zusammen herauszuarbeiten, wie sich die beiden Gebiete miteinander verbinden, wie sie aufeinander wirken und wie sie in der Praxis Anwendung finden. Laut Begründung der Jury schafft es der Dozent, den Studierenden das Zusammenspiel und die Wechselwirkungen an Praxisbeispielen nahe zu bringen.

Studierendenpreis für Diskussion auf Augenhöhe 

Den Studierendenpreis erhält Professor Lucio Colombi-Ciacchi (Fachbereich Produktionstechnik, Maschinenbau und Verfahrenstechnik). Der Hochschullehrer wurde für fünf unterschiedliche Lehrveranstaltungen von den Studierenden in großer Anzahl vorgeschlagen. Sie begeistert unter anderem, dass Colombi-Ciacchi nicht nur trockene Fakten präsentiert, sondern dass er das zu erlernende Wissen interaktiv erarbeitet und in passende Kontexte einbettet. Diskussionen sowie ein reger Austausch zur Thematik finden stets auf Augenhöhe statt, so die Studierenden. Professor Lucio Colombi-Ciacchi engagiert sich auch außerhalb seiner eigenen Veranstaltungen für die Qualität der Lehre in seinem Fachbereich.

Über den Berninghausen-Preis für hervorragende Lehre

Mit dem seit 1992 verliehenen Berninghausen-Preis für hervorragende Lehre wird außergewöhnliches Engagement und besondere Kreativität von Lehrenden gewürdigt. Er ist mit insgesamt 6.000 Euro (je 2.000 Euro pro Kategorie) dotiert und wird einmal im Jahr von den „unifreunden“ (Gesellschaft der Freunde der Universität Bremen und der Jacobs University) vergeben. Der Preis ist nach seinem Stifter Friedo Berninghausen benannt.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Konrektor für Lehre und Studium
Prof. Dr. Thomas Hoffmeister
Tel. +49 421 218-60031
E-Mail: kon2@uni-bremen.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Homepage Preis für gute Lehre

Lehesterdeich. Sebastian Huhn gibt Anweisungen: „Das Fünf-Volt-Kabel muss in die Fünf – dann soll die LED ausgehen.“ Die 22 Jungen und Mädchen im Computerraum wissen genau, was Sebastian Huhn damit meint. Es werden emsig Kabel gesucht und gesteckt. Schließlich soll das LED-Lämpchen am Ende der Stunde blinken. Geleuchtet hat es schon vergangene Woche, jetzt muss es neu programmiert werden. Die Fünftklässler der Forscherklasse sind konzentriert bei der Sache. „Es blinkt nicht“, ruft es aus einer Ecke des Computerraums. „Es kann noch nicht blinken – das kommt noch“, sagt Huhn. Erleichterung auf den Gesichtern.

Sebastian Huhn ist Informatiker und Doktorand an der Uni Bremen. Gemeinsam mit drei Kollegen und Lehrer Markus Leuschner betreut er zurzeit das zweite Modul der Forscher-Klasse, einem Gemeinschaftsprojekt von Uni und Wilhelm-Focke-Oberschule (WFO). Seit Sommer gibt es diese Klasse für Kinder, die den Dingen gerne auf den Grund gehen. Dabei ist Informatik nicht das einzige Themenfeld. Im ersten Modul haben sich die jungen Forscher mit Werkstoffen und ihrer Beschaffenheit beschäftigt. Da wurden zum Beispiel Dinge zusammengetragen unter dem Motto „Wenn Du ein Außerirdischer wärst, welches Material fändest Du am interessantesten?“. Auf den Tisch seien neben Stein, Holz, Gras und Knete unter anderem auch Katzenhaare gekommen, erinnert sich Claudia Sobich, Mitarbeiterin im Institut für Werkstofftechnik der Uni Bremen. Damit war der Grundstein für das Erforschen unterschiedlicher Konsistenzen gelegt. Wie die Profis sich diesem Thema nähern, testeten die Schüler kurz darauf in den Laboren der Universität.

Mit LED, Rechner und Steckboard

Im Computerraum der WFO hat Leonie inzwischen allerhand in den Computer getippt. Jetzt hofft die Zehnjährige auf ein blinkendes LED-Lämpchen im Steckboard neben ihrem Rechner. Fehlanzeige. „Es leuchtet nur“, ruft sie in Richtung der Experten. Der Fehler ist schnell gefunden: Leonie hat zweimal „einschalten“ eingeben. „Wenn du aus einem „Einschalten“ ein „Ausschalten“ machst, klappt es“, versichert Cornelia Große. Leonie korrigiert die Eingabe. Das Lämpchen blinkt, Leonie strahlt. Heute arbeitet sie unter erschwerten Bedingungen: Ihre Team-Partnerin Josepha ist krank, Leonie muss sich darum ausnahmsweise alleine durchschlagen.

Kaum blinken sämtliche LED-Lämpchen im Raum, steht auch schon die nächste Herausforderung an. Markus Leuschner hält einen Stoß Mappen hoch. In jeder befindet sich die Anleitung zu einem neuen Projekt. Die grünen Mappen sind für alle diejenigen, die den Ball erst mal noch flach halten wollen, die Gelben sind etwas für sichere Informatik-Forscher und in den roten stecken Aufgaben für Spezialisten, etwa eine Ampelschaltung zu programmieren – im Modell, versteht sich. Die Kinder rutschen auf ihren Stühlen hin und her, alle bangen um ihren Favoriten bei der anstehenden Wahl der Mappen. Zunächst aber beantwortet Leuschner Fragen. Und von denen gibt es einige. Hannes würde sich gerne an einem SOS-Signal versuchen, bevor er ins nächste Projekt einsteigt. „Als Vorübung“, sagt er. Leuschner hält das für eine gute Idee und nickt. Joris würde gerne ein eigenes Projekt verwirklichen, keines aus einer der Mappen. Kurzes Stirnrunzeln bei den Experten, dann ein Kompromissvorschlag: erst ein vorgegebenes Projekt, hinterher das eigene. Joris ist einverstanden.

Claudia Sobich, Mitarbeiterin im Institut für Werkstofftechnik der Uni Bremen, ist zufrieden mit dem Start der Forscher-Klasse. Es spreche Kinder in einem Alter an, in dem sie offen und neugierig für Umwelt und Naturwissenschaft seien. In der Regel setze die Förderung im Bereich Technik im Grundschulalter an und dann zumeist erst wieder in der Studienorientierungsphase. Mit der Forscherklasse wolle man diese Lücke nun schließen. Doch nicht nur die Kinder betreten damit Neuland, auch die Uni-Mitarbeiter. „Die Dinge in einfacher Sprache zu erklären, war für uns anfangs eine ziemliche Herausforderung“, erzählt Sobich. „Inzwischen klappt es aber schon ganz gut.“ Dass es auch aus Sicht der Teilnehmer gut läuft, hätten die Gesprächsrunden im Anschluss an die Stunden gezeigt, und auch in einem eigens eingerichteten Blog im Internet könne das Projekt reflektiert werden.

Der Ansturm auf die Projekt-Mappen ist ohne Streit über die Bühne gegangen. Leonie hat sich für einen Füllstandsensor entschieden und sucht in ihrer Materialkiste alle aufgelisteten Utensilien zusammen. Einen Tisch weiter bereiten Alecia und Melek alles dafür vor, eine Tonleiter zu programmieren. Die LED-Konstruktion wird abgebaut, und Melek hält nach einem blauen Kabel Ausschau, das sie für die Tonleiter brauchen. Ein Instrument spielt sie nicht, Alecia verneint ebenfalls. „Aber wir singen beide gerne“, sagt sie. Darum sei ihre Wahl auf die Tonleiter gefallen. Die Mädchen sind optimistisch, dass sie das hinbekommen. Zu Hause habe sie erst kürzlich eine alte Lampe zerlegt, erzählt Alecia, um sich das Innenleben genauer anzuschauen. Melek hat sich unlängst an die Reparatur eines defekten Leuchtstabs gemacht. Bislang ohne Erfolg. „Deshalb bin ich ja hier“, sagt sie.

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Monday till Friday 18.9. - 29.9.2017, 8:15 to 9:45 in room NW2 C0300 (25th and 26th in C0290)

Content

• General introduction and motivation
• Introduction to the band structure of semiconductors
• Conductors, insulators and semiconductors
• Semiconductors and currents
• Semiconductors and light
• The principle of photocatalysis
• Titanium dioxide and its multiple applications
• Band gap tuning, methods and mechanisms
• A case study: “The deaggregation mechanism”
• Monte Carlo simulations for uncertainties estimations
• Introduction to photonic crystals
• The Maxell Equations and the theta operator
• Comparisons with quantum mechanics
• Photonic crystals and semiconductors
• Photonic photocatalysis: Slow photons

Prof. Dr. Cecilia B. Mendive

Laboratory of Photonic Photocatalysis
Department of Chemistry
Faculty of Exact and Natural Sciences
National University of Mar del Plata
cbmendive@mdp.edu.ar

More information about the Lecture can be found here.

Das Beste gegeben

Bernd Scholz-Reiter, Rektor der Universität, erläuterte: „Die fünf Clusterinitiativen zeigen, was wir in der Profilbildung in den vergangenen Jahren erreicht haben. Alle fünf Cluster haben das Optimum herausgeholt.“ Insgesamt seien von allen beteiligten deutschen Universitäten bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft knapp 200 Skizzen eingegangen, eine hochkarätig besetzte Jury werde zum Schluss 50 Cluster auswählen. „Wenn wir dabei sind, würde das unsere exzellente Forschung in Riesenschritten voranbringen“, unterstrich der Rektor. Immerhin geht es um eine Förderung je ausgewähltem Cluster mit drei bis zehn Millionen Euro pro Jahr.

Packende Kurzvorträge

Mit sichtlichem Interesse verfolgte der Bürgermeister die packenden Kurzvorträge aus den Meereswissenschaften, den Umweltwissenschaften, den Materialwissenschaften, den Sozialwissenschaften und der Informatik. Die Vortragenden machten deutlich, wie sie interdisziplinär mit außeruniversitären Instituten und zum Teil auch regionalen Unternehmen zusammenarbeiten.

Erweiterte finanzielle Möglichkeiten

„Es ist äußerst eindrucksvoll, wie hier die Kompetenzen am Standort so zusammengefügt werden, dass am Ende ein interessantes Projekt herauskommt“, sagte Sieling. Und er machte Mut: Stärkung der Wissenschafts- und Forschungslandschaft sei ein wesentlicher Eckpunkt für die Zukunftskommission, die der Bremer Senat gerade gebildet habe. Schließlich habe Bremen ab 2020 erweiterte finanzielle Möglichkeiten, die auch der Wissenschaft zugutekommen sollen. Rektor Bernd Scholz-Reiter hörte es gern.

Breites Spektrum

Die Cluster decken ein breites Spektrum aktueller gesellschaftlicher, technologischer und umweltbezogener Fragestellungen ab. Es geht um die Erkundung des Meeresgrundes, die Beobachtung der Schadstoffentwicklung aus dem All, beanspruchbare Metalle mit neuen Eigenschaften, Ungleichheiten in der Gesellschaft bis hin zum Leben mit neuen Technologien in der Zukunft.

Zum Hintergrund:

Im Juni 2016 beschlossen Bund und Länder, die bisherige Exzellenzinitiative als sogenannte Exzellenzstrategie fortzusetzen mit dem Ziel, deutsche Universitäten im internationalen Wettbewerb zu stärken. Die Exzellenzstrategie umfasst zwei Förderlinien: die Exzellenzcluster und die Exzellenzuniversitäten. Unter Exzellenzclustern versteht man große, international sichtbare Forschungsverbünde, die ein langfristig relevantes Thema zum Inhalt haben, interdisziplinär aufgestellt sind und zum Profil der jeweiligen Universität passen. Sie werden bei Erfolg für zunächst sieben Jahren gefördert und erhalten drei bis 10 Millionen Euro pro Jahr. Bewähren sie sich danach im Rahmen einer Evaluation, können sie auch längerfristig finanziert werden. Die Universität Bremen verfügt mit dem MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften bisher über einen Exzellenzcluster.
Um im Wettbewerb um den Titel Exzellenzuniversität antreten zu dürfen, müssen Universitäten zukünftig über mindestens zwei Cluster verfügen. Diese Förderlinie dient der Stärkung der Universitäten als Institution und dem Ausbau ihrer internationalen Spitzenstellung in der Forschung. Exzellenzuniversitäten werden dauerhaft gefördert. Die Universität Bremen hat sich 2012 mit dem Zukunftskonzept „Ambitioniert und agil“ durchgesetzt und will diesen Erfolg auch in der Exzellenzstrategie wiederholen.

associated with MAPEX Research Highlight 03-2017:

Colloidal capsules: nano- and microcapsules with colloidal particle shells

Authors:

Tobias Bollhorst, Kurosch Rezwan and Michael Maas.

Journal:

Chemical Society Reviews (2017) 46, 2091-2126

Im September 2017 werden zwei Programme als gemeinsame Initiative von sechs koordinierten DFG Programmen und MAPEX starten:

Das ‚klassische‘ Programm auf Deutsch legt dabei einen etwas stärkeren Fokus auf gender-spezifische Karrierehindernisse, wohingegen die ‚internationale‘ Variante auf Englisch stattfinden wird und verstärkt die Wissenschaftskarriere internationaler Forscherinnen in den Blick nimmt.

Beide Programme wurden von der Arbeitsstelle Chancengleichheit entwickelt und werden dort koordiniert.

Weitere Informationen und Anmeldung zu den Programmen gibt es hier:
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Heute gibt es einen aktiven Studierendenaustausch, in den Bio- und Gesundheitswissenschaften entsteht ein wissenschaftlicher Austausch, und ein gemeinsames Forschungsprojekt beschäftigt sich mit Wissenschaftsliteratur. Nun war eine hochrangig besetzte Delegation in Bremen zu Gast.

Unter Leitung von Charlotte Yates, Provost und Vice President Academic, besuchten sieben Professorinnen und Professoren der University of Guelph die Uni Bremen. Mit dabei war auch Donald Bruce, Dean der Faculty of Arts, und einer der Initiatoren der Partnerschaft. Für dieses Engagement wurde er von Rektor Professor Bernd Scholz-Reiter als „Research Ambassador“ der Universität Bremen ausgezeichnet. In dieser Rolle wird er nun auch in Guelph der Ansprechpartner für die Bremer Kooperation sein.

Bremen Guelph Lecture Series startet

Ein Höhepunkt des Besuches war die erste Veranstaltung im Rahmen der neu ins Leben gerufenen „Bremen Guelph Lecture Series“. Professorin Jade Ferguson referierte zu “Seeking Sanctuary: Mob Violence, Black Citizenship, and Anti-Lynching Activism in Canada“. Von nun an wird in jedem Semester wechselnd in Bremen und Guelph ein Vortrag eines Gastdozenten stattfinden. Wer Interesse hat, sich zu beteiligen, sei es als Referent in Kanada oder als Gastgeber in Bremen, kann sich an das International Office wenden.

Gemeinsam große Dynamik

Die Delegation mit Vertreterinnen und Vertretern aus den Bereichen Biologie, Ingenieurswissenschaften und Sozialwissenschaften führte Gespräche zu gemeinsamen Forschungsinteressen und zur Zusammenarbeit in der Lehre. Sie besuchte Institute und Einrichtungen wie das Bremen Ambient Assistant Living Laboratory (BAALL), MAPEX, das BIPS und den Fallturm. Konkrete Vereinbarungen gab es unter anderem zu einem Forschungsvorhaben zu Diversität an deutschen und kanadischen Hochschulen und zur Intensivierung des Studierendenaustauschs. Auch an gemeinsame Studiengänge ist gedacht. Mit jedem Zusammentreffen zeigt sich erneut die Übereinstimmung der beiden Universitäten. Vergleichbar in Struktur, Alter und auch hinsichtlich Leitideen und Selbstverständnis, entwickeln sie gemeinsam eine große Dynamik.

Professor Ekkard Brinksmeier ist einer der weltweit führenden Experten im Bereich der Fertigungstechnik. Für seine herausragenden wissenschaftlichen Leistungen und anwendungsnahen Forschungen auf diesem Gebiet ist der Wissenschaftler der Universität Bremen jetzt erneut ausgezeichnet worden. Professor Zhong Denghua, Präsident der Universität Tianjin, China, hat ihm heute (27. April 2017) im Rahmen einer feierlichen Veranstaltung die Ehrenprofessur und den Titel Professor h.c. verliehen für seine international herausragenden wissenschaftlichen Arbeiten in der Fertigungstechnik und für die langjährige Kooperation mit der chinesischen Universität. „Die Universität Tianjin zählt zu den bedeutendsten Technischen Universitäten Chinas und genießt weltweit einen exzellenten Ruf. Die Verleihung dieser Ehrenprofessur empfinde ich als ganz besondere Wertschätzung meiner Arbeit“, sagte Professor Brinksmeier. Die Vergabe einer Ehrenprofessur ist die höchste Auszeichnung, die die Universität Tianjin vergibt. Sie wird in unregelmäßigen Abständen und höchstens einmal pro Jahr verliehen.

Langjährige Kooperation mit der Universität Tianjin

Die Forschungsarbeit von Professor Brinksmeier liegt unter anderem im Bereich der ultrapräzisen mechanischen Fertigungsverfahren, darunter Diamantbearbeitungsverfahren und Präzisionsschleifen. Im Labor für Mikrozerspanung (LFM) der Universität Bremen, das von Brinksmeier geleitet wird, werden diese Fertigungsverfahren erforscht und praxisnah weiterentwickelt. Hier hat auch die Kooperation mit der Universität Tianjin ihren Ursprung. Eine besonders enge Zusammenarbeit entwickelte sich mit Professor Fengzhou Fang, der ein Labor für Mikro-und Nano-Fertigungstechnik an der Universität Tianjin betreibt. Die Kooperation erstreckt sich von gemeinsamen Arbeiten in der Internationalen Akademie für Produktionstechnik (CIRP) über wissenschaftlichen Austausch bis hin zur gemeinsamen Organisation von Konferenzen, zum Beispiel der NanoMan 2014 in Bremen.

Prof.Dr.-Ing.habil.Prof.h.c.Dr.-Ing. E.h. Ekkard Brinksmeier

Professor Ekkard Brinksmeier ist Professor für Fertigungsverfahren an der Universität Bremen sowie Direktor der Hauptabteilung Fertigungstechnik der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT). Seine Arbeitsgruppe umfasst rund 60 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, die auf dem Gebiet der werkstofforientierten Fertigungstechnik mit Schwerpunkt auf spanende Verfahren und Ultrapräzisionsfertigung forschen. Er ist außerdem Sprecher des Transregionalen Sonderforschungsbereichs 136 „Prozesssignaturen“ der Universität Bremen. Professor Brinksmeier studierte Maschinenbau an der Universität Hannover, wo er 1982 promovierte und sich 1991 habilitierte. 1992 nahm er den Ruf an die Universität Bremen an. 1999 zeichnete ihn die Deutsche Forschungsgemeinschaft mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis aus. Professor Brinksmeier ist Mitglied der Deutschen Akademie der Technikwissenschaften (acatech), Past President der Internationalen Akademie für Produktionstechnik CIRP sowie der European Society for Precision Engineering and Nanotechnology (euspen). 2011 wurde er mit der Frederick W. Taylor Research Medal der Society of Manufacturing Engineers (SME) und 2015 mit dem euspen Lifetime Achievement Award ausgezeichnet. Im Jahr 2012 wurde ihm die Ehrendoktorwürde der RWTH Aachen verliehen.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Carolin Walter M.A.
Stiftung Institut für Werkstofftechnik
Wissenschaftskommunikation
Tel.: 0421 218 513 74
E-Mail: cwalter@iwt-bremen.de

Prof.Dr.-Ing.habil.Prof.h.c.Dr.-Ing. E.h. Ekkard Brinksmeier
Tel.: 0421 218 511 01
E-Mail: brinksmeier@iwt-bremen.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

[1] Adv. Mater. 25, 1342 (2012)
[2] Nanoscale Horizons 1, 467 (2016)
[3] Nature Comm. 8, 14982 (2017)
[4] Adv. Electronic Mater. 25, 134 (2015)
[5] Adv. Mater. 25, 134 (2013)

Neues Potential

An der Universität Bremen hat die Nachricht von einem neuen Leibniz-Institut große Freude ausgelöst. Es ist dann das dritte neben dem Leibniz-Zentrum für Marine Tropenforschung (ZMT) und dem Leibniz-Institut für Präventionsforschung und Epidemiologie (BIPS) auf dem Campus. „Wir freuen uns sehr darüber, dass die Stiftung Institut für Werkstofftechnik zusammen mit den assoziierten Fachgebieten Werkstoff-, Verfahrens- und Fertigungstechnik der Universität Bremen diesen Erfolg erreicht hat. Die Aufnahme des IWT in die Leibniz-Gemeinschaft schafft neues Potential für eine hervorragende Weiterentwicklung der Materialwissenschaften innerhalb und im Umfeld der Universität Bremen“, so Uni-Rektor Bernd Scholz-Reiter.

Geschichte des Instituts

Seit 1950 wird am IWT, damals noch als Institut für Härterei-Technik, auf dem vielschichtigen Gebiet der Metallbearbeitung und -verarbeitung geforscht. 1975 wurde das IWT in eine Stiftung der Arbeitsgemeinschaft Wärmebehandlung und Werkstofftechnik (AWT) und des Landes Bremen überführt. Die vorhandene Stiftungsstruktur wird auch nach der Aufnahme in die Leibniz-Gemeinschaft beibehalten. Seit 1986 forscht das IWT neben werkstofftechnischen Themen zudem auf den Gebieten der Verfahrens- und Fertigungstechnik – ein deutschlandweites Alleinstellungsmerkmal. Es kooperiert eng mit dem Fachbereich Produktionstechnik der Universität und betreibt sowohl Grundlagenforschung als auch anwendungsorientierte Forschung bis hin zum direkten Transfer in die Praxis.

Forschung intensivieren

„Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft zu sein, bietet uns viele Anknüpfungspunkte und Kooperationsmöglichkeiten mit anderen Leibniz-Instituten. Hier sehen wir großes Potenzial“, sagt Professor Lutz Mädler, der im IWT den Bereich Verfahrenstechnik leitet. Die Aufnahme in die Bund-Länder-Finanzierung biete dem Institut zudem verbesserte Möglichkeiten, die Forschung an Zukunftsthemen zu intensivieren. Das IWT erforscht Prozessketten hochbeanspruchter metallischer Bauteile und sieht große Chancen bei der Ressourcen- und Energieeffizienz. Auch im Leichtbau und der Verfahrens- und Fertigungsentwicklung werden in Sonderforschungsbereichen gerade unkonventionelle, neuartige Wege beschritten. „Der heutige Tag gibt den Startschuss für eine neue Ära des IWT“, sagt Professor Hans-Werner Zoch, geschäftsführender Direktor und Leiter der Hauptabteilung Werkstofftechnik. „Wir, das heißt das ganze IWT, freuen uns auf die neuen Möglichkeiten und Anforderungen, die mit der Aufnahme in die Leibniz-Gemeinschaft einhergehen“.

Weitere Informationen über das IWT.

Link zur Mitteilung des idw - Informationsdienst Wissenschaft.

Microbial-based metalworking fluids in milling operations

Authors:

Daniel Meyer, Marvin Redetzky and Ekkard Brinksmeier.

Most commercial metalworking fluids (MWFs), as applied in cutting operations contain mineral-oil. Colonization of water-based MWFs bymicroorganisms is considered a problem due to metabolism of the MWF components. This paper presents a paradigm shift by exploiting the potential of substituting oilcontaining water-based MWFs in machining processes by microbial-based fluids. For the first time, specifically selected microorganisms have been applied in milling experiments and were examined regarding their lubrication performance. Compared to conventional water-based MWFs a prolonged tool life and superior surface finish were obtained in milling. From the results, the working mechanisms of microbial-based MWFs are deduced and discussed.

Über Monate hinweg haben die Bremer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Anträge ausgearbeitet. Gerade weil es zunächst nur Kurzfassungen sind, welche bei der DFG eingereicht werden dürfen, muss jedes Wort und jeder Gedanke sitzen. Kern der Skizzen sind eine Beschreibung der Forschungsidee und der Herangehensweise sowie ein schlüssiges Konzept für Nachwuchsförderung, Gleichstellung und forschungsorientierte Lehre. Bernd Scholz-Reiter ist zufrieden – sowohl mit dem Verfahren als auch mit dem Ergebnis: „Ich bin stolz darauf, dass wir nach harter Arbeit jetzt mit fünf Clustern ins Rennen gehen können“, so der Rektor.

In den nächsten Monaten muss sich die Universität Bremen in Geduld üben. Internationale Gutachterinnen und Gutachter prüfen und bewerten die Skizzen. Die besten Initiativen werden im September aufgefordert, einen Vollantrag auszuarbeiten, den sie wiederum im Februar 2018 einreichen müssen. Die endgültige Entscheidung darüber, welche rund 50 Cluster deutschlandweit gefördert werden, fällt im Juli 2018.

Zur Exzellenzstrategie:

Im Juni 2016 beschlossen Bund und Länder, die bisherige Exzellenzinitiative als sogenannte Exzellenzstrategie fortzusetzen mit dem Ziel, deutsche Universitäten im internationalen Wettbewerb zu stärken. Die Exzellenzstrategie umfasst zwei Förderlinien: die Exzellenzcluster und die Exzellenzuniversitäten. Unter Exzellenzclustern versteht man große, international sichtbare Forschungsverbünde, die ein langfristig relevantes Thema zum Inhalt haben, interdisziplinär aufgestellt sind und zum Profil der jeweiligen Universität passen. Sie werden bei Erfolg für zunächst sieben Jahren gefördert und erhalten drei bis10 Millionen Euro pro Jahr. Bewähren sie sich danach im Rahmen einer Evaluation, können sie auch längerfristig finanziert werden. Die Universität Bremen verfügt mit dem MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften bisher über einen Exzellenzcluster, der auch in dieser Runde wieder einen Antrag stellt.

Um im Wettbewerb um den Titel Exzellenzuniversität antreten zu dürfen, müssen Universitäten zukünftig über mindestens zwei Cluster verfügen. Diese Förderlinie dient der Stärkung der Universitäten als Institution und dem Ausbau ihrer internationalen Spitzenstellung in der Forschung. Exzellenzuniversitäten werden dauerhaft gefördert. Die Universität Bremen hat sich 2012 mit dem Zukunftskonzept „Ambitioniert und agil“  durchgesetzt und will diesen Erfolg auch in der Exzellenzstrategie wiederholen.

Weitere Informationen:
https://www.bmbf.de/de/die-exzellenzstrategie-3021.html
http://www.dfg.de/download/pdf/foerderung/programme/exzellenzstrategie/zeitplan_exzellenzstrategie.pdf

Kontakt:
Universität Bremen
Stabsstelle Strategische Projekte und Exzellenz (SPE)
Dr. Achim Wiesner
Tel. 0421 218-60015
Email: achim.wiesner@vw.uni-bremen.de

Link zur Original Pressemitteilung der Universität Bremen

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MAPEX NEWSletter Archive >

Mathematik ist eine universelle Sprache. Sie ist wie keine andere Wissenschaft geeignet, komplexe Fragestellungen handhabbar zu machen, indem sie sie auf das Wesentliche reduziert. Zahlreiche Probleme der Natur-, Lebens- und Ingenieurwissenschaften sowie aus industriellen und wirtschaftlichen Anwendungen führen auf einer abstrakten Ebene zu verwandten Modellen. An der Universität Bremen ist jetzt mit einer Eröffnungsveranstaltung offiziell das neue internationale Graduiertenkolleg  „Parameter Identification: Analysis, Algorithms, Appliciations (Pi³) am Zentrum für Technomathematik (ZeTeM) gestartet. Die Leitung hat Professor Peter Maaß. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hatte es im Mai 2016 genehmigt und fördert es 4,5 Jahre mit rund 4 Millionen Euro. 

Promovierende entwickeln neue Verfahren für Forschung und Industrie

In dem DFG-Graduiertenkolleg werden zurzeit 21 internationale Promovierende für den akademischen und nicht-akademischen Arbeitsmarkt ausgebildet. Die mathematisch-fachliche Qualifizierung und die Förderung wissenschaftlicher Selbstständigkeit sind die Leitmotive. Die im Graduiertenkolleg neu entwickelten Verfahren sollen exemplarisch zur Optimierung von Vergasersystemen im Automobilbau, zur Analyse von Stoffwechselstrukturen aus massenspektrometrischen Daten und zur optischen Analyse von Faserstrukturen eingesetzt werden. Innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahre werden die Doktorandinnen und Doktoranden der ersten Kohorte des Graduiertenkollegs ihre Promotion abschließen.

Die Forschungen des Graduiertenkollegs Pi³

Der Forschungsschwerpunkt von Pi³ ist die Bestimmung von Parametern in unterschiedlichen mathematischen Teildisziplinen sowie verschiedenen industriellen Anwendungen. In dem Kolleg Pi³ sind dabei Modelle von Interesse, die nicht vollständig bekannt sind, sondern erst über eine Parameteridentifikation aus gemessenen oder anderweitig bestimmten Daten vervollständigt werden müssen. „Die Eigenschaften dieser Modelle machen die Bestimmung der gesuchten Parameter zu einer Herausforderung und erfordern ausgeklügelte interdisziplinäre Herangehensweisen“, sagt der Leiter des Kollegs, Professor Peter Maaß.

Das Zentrum für Technomathematik (ZeTeM)

Das Zentrum für Technomathematik  (ZeTeM) ist ein mathematisches Forschungszentrum mit einem Schwerpunkt auf Anwendungen in Ingenieur- und Lebenswissenschaften. Mit modernen Methoden der angewandten Mathematik wird der gesamte Prozess der Problemlösung übernommen – von Modellierung, mathematischer Analyse bis zur Entwicklung von Software und Simulationen. Kooperationsprojekte mit Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft sind am ZeTeM stark in die Forschung und in die Ausbildung der Studenten eingebunden.

Video bei Youtube

Weitere Informationen zum Graduiertenkolleg finden Sie unter www.math.uni-bremen.de/rtg-pi3 . Zudem gibt es ein englischsprachiges Video unter https://www.youtube.com/watch?v=lL3e84Cs058&feature=youtu.be .

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Fachbereich Mathematik / Informatik
Zentrum für Technomathematik (ZeTeM)
Prof.Dr. Peter Maaß
Tel.: 0421-218 63801
E-Mail: pmaass@math.uni-bremen.de 

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Aus einem Projekt wird Tradition: Auch dieses Schuljahr haben drei Schüler des Gymnasium Horns ihre Facharbeiten beim Sonderforschungsbereich (SFB) 747 Mikrokaltumformen der Universität Bremen geschrieben. Lukas Zhou, Georgi Laskaridis und Ramy Khorshed (11. Klasse) haben auf Initiative ihrer Lehrerin Sandra Dettmann und ihres Lehrers Ronald Bormann seit den Herbstferien im Zentrum für Technomathematik (ZeTeM) der Universität Bremen an ihren Facharbeiten gearbeitet. Unter Anleitung des wissenschaftlichen Mitarbeiters Phil Gralla und der Studentin Alina Pätzold haben sich die Schüler mit der „Klassifizierung von metallischen Mikrobauteilen durch Hyperebenen“ beschäftigt.

Um ihre Aufgabe zu erfüllen, mussten sie die Grundlagen des maschinellen Lernens erarbeiten, um einen sogenannten Klassifizierer zu entwickeln. Im Gebiet des maschinellen Lernens geht es um Möglichkeiten, einem künstlichen System durch mathematische Operatoren Mustererkennung beizubringen und Wissen von Lerndaten auf neue unbekannte Daten zu übertragen.

Die vom SFB 747 erforschten Mikrobauteile werden unter anderem bei der Produktion von Smartphones, Hörgeräten und in der Automobilindustrie eingesetzt. Koordiniert wurde die Aktion im Rahmen des Nachwuchsförderungs- und Öffentlichkeitsprojekts „mikromal“ des SFB 747.

Was ist „mikromal“?

„mikromal“ ist das Nachwuchsförderungs- und Öffentlichkeitsprojekt des Sonderforschungsbereichs 747 „Mikrokaltumformen – Prozesse, Charakterisierung, Optimierung“ der Universität Bremen. Neben Ausstellungen und regelmäßigen Aktionen zum „Kids` Day“ und „Weltretter-Tag“ organisieren die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Schulprojekte rund um die Forschungsthemen des SFB. Ziel ist es, die Mikrokaltumformtechnik bekannter zu machen und Schülerinnen und Schüler für Technik zu begeistern.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Sonderforschungsbereich 747 Mikrokaltumformen
Malte Behlau (Projektkoordinator „mikromal“)
Telefon: 0421 218-58022
E-Mail: behlau@bias.de 
www.mikromal.de 
www.facebook.de/sonderforschungsbereich747 
www.sfb747.uni-bremen.de 

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Bremen ist ein international bedeutender Raumfahrtstandort. Die Universität Bremen und ihre wissenschaftlichen Partnerinstitute auf dem Campus sind weltweit anerkannte Einrichtungen auf dem Gebiet der Raumfahrttechnik. Unternehmen, die in der Raumfahrt erfolgreich tätig sind, benötigen gut ausgebildete Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, um konkurrenzfähig zu bleiben. Vor diesem Hintergrund starten an der Universität Bremen zum Wintersemester die beiden neuen englischsprachigen internationalen Raumfahrt-Masterstudiengänge „Space Sciences and Technologies“ (Space-ST) und „Space Engineering“ (SpE). Die fundierte und systemübergreifende Ausbildung qualifiziert für einen Einsatz in der Raumfahrtindustrie oder vergleichbaren Hochtechnologiebranchen sowie in Forschungseinrichtungen. Die Studiengänge werden von den drei Fachbereichen Produktionstechnik, Maschinenbau & Verfahrenstechnik (FB 04), Physik/Elektrotechnik (FB 01) und Mathematik/Informatik (FB 03) sowie dem Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen und dem Institut für Raumfahrtsysteme Bremen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt  (DLR) organisiert.  Bewerbungsschluss ist der 30. April (Space-ST) bzw. der 15. Juni (SpE).

Master of Space Engineering (SpE)

Der „Master of Space Engineering“ (SpE) ist ein interdisziplinärer Studiengang, den der Fachbereich Produktionstechnik, Maschinenbau & Verfahrenstechnik (FB 04) anbietet. Die Studierenden lernen komplette Raumfahrtsysteme zu entwerfen, zu realisieren und zu testen. Dazu zählen Satelliten, Launcher sowie Nutzlasten für Missionen aus Wissenschaft, Erdbeobachtung, Navigation und Telekommunikation. Das Masterstudium kann jedes Semester begonnen werden. Es ist forschungsorientiert und betrachtet zudem die nötigen Systemtechnologien für Anwendungen in relevanten Raumfahrtumgebungen. Dadurch werden die Studierenden qualifiziert, die ständig wachsenden Aufgaben der Hochtechnologie im Bereich der Raumfahrt und angrenzenden Fachgebieten innovativ und interdisziplinär zu lösen. www.space-engineering.uni-bremen.de

Master of Space Science and Technologies (Space-ST)

Der Fachbereich Physik/Elektrotechnik (FB 01) bietet den „Master of Space Science and Technologies” (Space-ST) an. Der interdisziplinäre Studiengang legt den Fokus auf die Erdbeobachtung mit Satellitensystemen. Er enthält in der Regel drei wesentliche Grundkomponenten: die Erfassung von Daten (Sensing), die Verarbeitung von Daten (Processing) und die Übertragung von Daten auf die Erde (Communication). Der englischsprachige viersemestrige Masterstudiengang vermittelt in diesem Forschungsgebiet theoretische Kenntnisse und praktische Erfahrungen im Rahmen von Laborpraktika. Im Wahlbereich werden Veranstaltungen aus den Bereichen der Umweltphysik, der Elektrotechnik und Informationstechnik, der Produktionstechnik und der Mathematik/Informatik angeboten. Studierende haben während der Forschungsphase die Möglichkeit, in den Bereichen Physik für Erdbeobachtung oder Informationstechnologien für Luft- und Raumfahrt ihre Kenntnisse zu vertiefen, indem sie Einblicke in die Praxis erhalten und an konkreten Problemstellungen und Lösungsaspekten der Erdbeobachtung und Raumfahrt arbeiten.
http://www.fb1.uni-bremen.de/space-st/

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Master of Space Engineering (SpE)
Fachbereich Produktionstechnik, Maschinenbau & Verfahrenstechnik (FB 04) ZARM – Zentrum für Angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation
Maria Petrogiannis
E-Mail: space-engineering@uni-bremen.de

Master of Space Science and Technologies (Space-ST)
Fachbereich Physik/Elektrotechnik
Prof.Dr.-Ing. Steffen Paul
PD. Dr. Annette Ladstätter-Weißenmayer
E- Mail: space-st@uni-bremen.de

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Er gilt weltweit als einer der wichtigsten Wissenschaftspreise und wird seit 1986 jährlich von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) vergeben. Das Preisgeld von 2,5 Millionen Euro können die Ausgezeichneten in einem Zeitraum von bis zu sieben Jahren nach ihren eigenen Vorstellungen und ohne bürokratischen Aufwand für ihre wissenschaftliche Arbeit ausgeben.

Giftige Auswirkungen von Nanopartikeln auf Menschen

In der Begründung der Deutschen Forschungsgemeinschaft heißt es: „Professor Mädler entwickelte eine verbesserte Variante der Flammensprühpyrolyse zur kostengünstigen Synthese von Nanopartikeln. Dabei werden organische Verbindungen thermochemisch gespalten. Seine Arbeiten machten die Flammensprühpyrolyse für die Industrie nutzbar. Später konnte Mädler diese Pyrolysetechnik weiterentwickeln, indem er das Tröpfchen-Explosions-Phänomen in Flammensprays und seine Auswirkungen auf die Materialsynthese aufdeckte. Mädler beschäftigte sich aber nicht nur mit der maßgeschneiderten Synthese von Nanopartikeln, sondern untersuchte zudem, inwiefern diese Partikel giftig für den menschlichen Körper sind. Dies ist deshalb bedeutsam, weil viele Anwendungen, etwa in Lacken, Textilien oder Zahnfüllungen, unmittelbare Auswirkungen auf den Menschen haben. Mädler konnte zeigen, dass durch die Wechselwirkungen von synthetischen Nanopartikeln mit biologischem Gewebe reaktive Sauerstoffspezies entstehen, die unerwünschte Reaktionen auslösen können.“

Wissenschaftlicher Werdegang:

Lutz Mädler studierte zunächst Technische Physik an der Technischen Hochschule Zwickau und anschließend Verfahrenstechnik an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, wo er 1999 auch promoviert wurde. Seine Habilitationszeit verbrachte er an der ETH Zürich, danach war er, mit einem DFG-Stipendium ausgestattet, Senior Researcher an der University of California, Los Angeles. 2008 wurde Mädler an die Universität Bremen berufen. Er ist seitdem Professor für Verfahrenstechnik im Fachbereich Produktionstechnik und zugleich Direktor der Hauptabteilung Verfahrenstechnik des außeruniversitären Instituts „Stiftung Institut für Werkstofftechnik“.

Weitere Links:

• Informationen zum Leibniz-Preis 2017
• Mehr zu Lutz Mädlers Forschungen

During the initial project phase, we offer to scan test samples of all MAPEX members in order to explore the capabilities and limits of the method with respect to our specific types of samples. Routine service operations for standard measurements will start in early summer 2017. Different types of in-situ equipment and diffraction contrast tomography will become available within the next months. The instrument is provided by the DFG within a major equipment initiative for XRMs. The corresponding project “In-situ studies of 3D microstructure evolution and spectroscopic imaging during processing and manufacturing of advanced materials.” is coordinated by the MAPEX speaker Lucio Colombi Ciacchi.

More impressions

Murmel-Action gepaart mit Informationen zu Grundlagenforschungen – das bietet seit einem Jahr die App des Sonderforschungsbereiches (SFB) 747 Mikrokaltumformen der Universität Bremen. Das Lernspiel „mikromal Mobile“ veranschaulicht auf unterhaltsame Weise spezielle physikalische Effekte im Mikrobereich. Diese werden zum Beispiel bei der Produktion von Smartphones, Hörgeräten und in der Automobilindustrie eingesetzt. Jetzt gibt es eine neu überarbeitete Version auch für iPhones und iPads. Außerdem wurde das Tutorial umstrukturiert und verbessert. Maßgeblich waren hier die bisherigen Nutzererfahrungen.

Entwickelt haben die App für Android-Geräte zwei Studenten des Masters „Games“ der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) Hamburg in Zusammenarbeit mit dem SFB 747. Die App „mikromal Mobile“ ist im Google Play Store und neuerdings auch im App Store von Apple erhältlich. Ein kurzes Video zu dem Lernspiel gibt es auf dem Youtube-Kanal der Universität Bremen unter https://www.youtube.com/watch?v=NxmOtTWwcX0.

Hindernisse geschickt überwinden

In dem Spiel treffen die Spielerinnen und Spieler auf Hindernisse, die auf besonderen physikalischen Effekten im Mikrobereich basieren und die die Spielerinnen und Spieler so näher kennenlernen. Die Hindernisse können durch die Auswahl der richtigen Kugelgröße überwunden werden. So sind die Spieler beispielsweise in der Lage, mit der kleinsten Kugel einen Abgrund zu überwinden, indem sie die Kugel mittels so genannter Adhäsionskraft an der Decke entlang laufen lassen. Der Lernprozess wird dabei nur unbewusst wahrgenommen.

SFB geht neue Wege in der Wissenschaftskommunikation

Der Sonderforschungsbereich 747 geht mit „mikromal Mobile“ neue Wege im Bereich der Wissenschaftskommunikation. Die Anwendung soll der Öffentlichkeit das industrielle Verfahren Mikrokaltumformen über einen spielerischen Ansatz auf Smartphone und Tablet näherbringen. Entstanden ist die App in dem Öffentlichkeitsprojekt „mikromal“. Ziel ist es, die Mikroumformtechnik bekannter zu machen und Schülerinnen und Schüler für Technik zu begeistern. Besuchen Sie den SFB 747 im Internet unter www.sfb747.uni-bremen.de, www.mikromal.de  und bei Facebook www.facebook.de/sonderforschungsbereich747.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Sonderforschungsbereich 747 Mikrokaltumformen
Malte Behlau (Projektkoordinator „mikromal“)

Tel.: 0421 218-58022
E-Mail: behlau@bias.de
Android:https://play.google.com/store/apps/details?id=de.supyrb.mikromal
iOS: https://itunes.apple.com/us/app/mikromal-mobile/id1171348786?l=de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

associated with MAPEX Research Highlight 06-2016:

A concept for direct deposition of thin film batteries on flexible polymer substrate

Authors:

Jens Glenneberg, Felix Andre, Ingo Bardenhagen, Frederieke Langer, Julian Schwenzel, Robert Kun.

Journal:

Journal of Power Sources  (2016) 324, 722-728.

Neuartige zweidimensionale Materialien mit großem Anwendungspotential

In diesem Graduiertenkolleg werden Doktoranden der Universität Bremen, der Jacobs University Bremen, der Universität Oldenburg und des Max-Planck-Instituts Hamburg in theoretischen computergestützten Elektronenstruktur-Methoden der Physik und Chemie ausgebildet. Ziel ist die Entwicklung völlig neuartiger Methoden, die es erlauben, die Eigenschaften von Nanomaterialien und Grenzflächen besser zu verstehen. So werden im Gradiuertenkolleg beispielsweise lichtinduzierte Ladungstransferprozesse studiert, die in der Photokatalyse und Photovoltaik für die Erzeugung von regenerativen Energieformen von entscheidender Bedeutung sind. Weiterhin werden die elektronischen und optischen Eigenschaften neuartiger zweidimensionaler Materialien mit großem Anwendungspotential in zukünftigen Quantentechnologien, wie der Photonik und Plasmonik untersucht. Die ersten Doktoranden werden in zwei bis drei Jahren ihre Promotion verteidigen.

Bremen Center for Computational Materials Science

Das BCCMS ist ein interdisziplinäres Forschungszentrum der Universität Bremen zwischen den natur- und ingenieurwissenschaftlichen Fachbereichen. Der Schwerpunkt ist die computergestützte theoretische Materialforschung. Mit dem Einsatz von skalenübergreifenden Methoden werden insbesondere Fragestellungen zum Strukturdesign von komplexen Werkstoffen bearbeitet, um in enger Kooperation mit experimentellen Instituten und Industriepartnern neue funktionelle Bauelemente zu entwickeln

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Bremen Center for Computational Materials Science (BCCMS)
Prof.Dr. Thomas Frauenheim
Tel.: 0421/ 218-62340
E-Mail: rtg-qm3@uni-bremen.de
www.rtg-qm3.de/events/workshops-conferences/qm3-kick-off-workshop/

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Schülerinnen und Schüler frühzeitig für Technik begeistern, das ist erklärtes Ziel der neuen Kooperation zwischen der Wilhelm-Focke-Oberschule Bremen-Horn und dem Sonderforschungsbereich (SFB) 1232 „Farbige Zustände“ der Universität Bremen.  „Wir sind eine Schule mit Zukunftsverantwortung, und die Ingenieur- und Naturwissenschaften sind Berufsfelder mit Zukunft“, erklärt Beata Warszewik, Schulleitung der Wilhelm Focke Oberschule. In Partnerschaft mit dem SFB 1232 soll diese Komponente der Schule weiter ausgebaut werden. Ab Sommer startet eine eigens eingerichtete Forscherklasse, die mit gleicher Anzahl an Mädchen und Jungen besetzt sein wird. Bewilligt ist eine Förderung des Projektes bis zum Sommer 2020.

Lehrkräfte und Forschende gestalten gemeinsamen Projektunterricht

In den vergangenen sechs Monaten haben Teams aus Lehrkräften, Forscherinnen und Forschern gemeinsam die zukünftigen Lerneinheiten für diese Klasse entwickelt. Herausgekommen ist ein abwechslungsreiches Programm, das zwei Projektstunden pro Woche enthält, die von den Teams unterrichtet werden. Die Lerneinheiten knüpfen am Lehrplan der Klasse an und führen die Kinder weiter in die Welten der Materialwissenschaften, Mathematik und Informatik. „Die Klasse wird sich zum Beispiel mit dem Recycling von Metallen oder der Zivilisationsgeschichte des Menschen durch Werkstoffe beschäftigen. Aber auch ein Videoprojekt werden die Kinder mitgestalten“, sagt Professor Lutz Mädler, Sprecher des SFB 1232 und Initiator des Projekts. „Unsere Graduierten bringen ihr Fachwissen ein und lernen gleichzeitig ihre wissenschaftlichen Themen so darzustellen, dass die Inhalte verständlich sind und begeistern.“

Selber Forschen fördert Technikinteresse

Das Besondere an der neuen Kooperation sind aber nicht nur die Inhalte: Ein Schwerpunkt wird darauf liegen, die Kinder mit dem Projektunterricht in ihrer Lebenswelt abzuholen und sie selbst etwas erfinden, schaffen oder gestalten zu lassen. „Dinge zu begreifen hat eben auch viel mit einer praktischen Erfahrung zu tun“, sagt Studienrätin Katrin Börger, Koordinatorin des Projekts auf der Schulseite. „Erst das aktive Auseinandersetzen mit den Themen schafft die Grundlage für echte Begeisterung.“ Deshalb sollen Eigeninitiative und Erfindergeist der Kinder zusätzlich von den Lehrenden im Rahmen von „jugend-forscht“-Projekten unterstützt werden.

Auftaktveranstaltung in der Wilhelm-Focke-Oberschule

Der Start des Projektes wurde am 12. Januar 2017 mit einer Auftaktveranstaltung gefeiert. Grußworte sprachen die Senatorin für Wissenschaft, Gesundheit und Verbraucherschutz, Professorin Eva Quante-Brandt und die Senatorin für Kinder und Bildung, Dr. Claudia Bogedan. Das bunte Rahmenprogramm gestalteten die Kinder, die im Frühjahr 2016 an dem Pilotprojekt „Werkstoffdetektive“ der Universität Bremen teilgenommen haben. Sie zeigten verschiedene Versuche und vermittelten spannende Fakten aus dem Bereich der Chemie und Physik.

•    Weitere Informationen hier.
•    Film zum Projekt: https://www.youtube.com/watch?v=FMrXC3bnyPw 

Kontakt:
Universität Bremen
Sonderforschungsbereich 1232 „Farbige Zustände“
Claudia Sobich (Öffentlichkeitsarbeit / Wissenschaftskommunikation)
Tel.: 0421 / 218-51232
E-Mail: wiko@sfb1232.de
Homepage: SFB 1232 Farbige Zustände

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Mikrobauteile als Kunstobjekt

Die Ausstellung zeigt in Fotos, Simulationen und Mikroskopien Facetten der Massenproduktion metallischer Mikrobauteile. Mikrobauteile sind in mindestens zwei Dimensionen kleiner als ein Millimeter. Solch winzige Bauteile werden beispielsweise in Smartphones, Fahrerassistenzsystemen und Hörgeräten verbaut. Zu sehen sind Bilder aus dem Forschungsalltag des SFB 747. Ausgestellt werden die schönsten Fotografien von Teilnehmern eines Workshops zur Industriefotografie von Mikrobauteilen, für die der SFB seine Labortüren geöffnet hat. Außerdem zeigt der SFB erstmals das Siegerbild des Fotowettbewerbs „Massenproduktion von Mikrobauteilen“.

Der Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“

Der Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“ ist ein instituts- und fachbereichsübergreifender Forschungsverbund. Er erforscht die systematische Auslegung und den zuverlässigen Einsatz von Umformprozessen im Mikrobereich. Beim Mikrokaltumformen handelt es sich um Verfahren, die unter anderem bei der Produktion von Smartphones, Hörgeräten und in der Automobilindustrie eingesetzt werden. Das zentrale Ziel des Sonderforschungsbereichs ist die Bereitstellung von Methoden und Prozessen für die industrielle Herstellung metallischer Mikrobauteile mit Losgrößen von über eine Million Stück. Der SFB 747 besteht seit 2007 und wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Über 50 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Bereichen Produktionstechnik, Mathematik/Informatik und Physik/Elektrotechnik forschen hier interdisziplinär. Der SFB 747 arbeitet als institutsübergreifende Verbund eng mit dem 2014 gegründeten MAPEX Center for Materials and Processes zusammen.

https://www.facebook.com/Sonderforschungsbereich747

www.sfb747.uni-bremen.de- www.mikromal.de- www.bias.de

Wichtigster deutscher Forschungsförderpreis / Je 2,5 Millionen Euro für herausragende Arbeiten aus allen Wissenschaftsgebieten / Verleihung am 15. März 2017 in Berlin

Die neuen Trägerinnen und Träger des wichtigsten Forschungsförderpreises in Deutschland stehen fest: Der Hauptausschuss der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) erkannte heute in Bonn drei Wissenschaftlerinnen und sieben Wissenschaftlern den Leibniz-Preis 2017 zu. Sie waren zuvor vom zuständigen Nominierungsausschuss aus 134 Vorschlägen ausgewählt worden. Von den zehn neuen Preisträgerinnen und Preisträgern kommen jeweils drei aus den Naturwissenschaften und den Geistes- und Sozialwissenschaften sowie jeweils zwei aus den Lebenswissenschaften und den Ingenieurwissenschaften. Alle zehn Ausgezeichneten erhalten ein Preisgeld von jeweils 2,5 Millionen Euro. Diese Gelder können sie bis zu sieben Jahre lang nach ihren eigenen Vorstellungen und ohne bürokratischen Aufwand für ihre Forschungsarbeit verwenden. Verliehen werden die Leibniz-Preise 2017 am 15. März in Berlin.

[...]

Professor Dr. Lutz Mädler (45), Mechanische Verfahrenstechnik, Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) und Fachbereich Produktionstechnik, Universität Bremen

Für seine bahnbrechenden Arbeiten zur gezielten reaktiven Bildung von Nanopartikeln aus der Gasphase sowie zu deren Wirkung auf lebende Materie wird Lutz Mädler der Leibniz-Preis zuerkannt. Er entwickelte eine verbesserte Variante der Flammensprühpyrolyse zur kostengünstigen Synthese von Nanopartikeln. Dabei werden organische Verbindungen thermochemisch gespalten. Seine Arbeiten machten die Flammensprühpyrolyse für die Industrie nutzbar. Später konnte Mädler diese Pyrolysetechnik weiterentwickeln, indem er das Tröpfchen-Explosions-Phänomen in Flammensprays und seine Auswirkungen auf die Materialsynthese aufdeckte. Mädler beschäftigte sich aber nicht nur mit der maßgeschneiderten Synthese von Nanopartikeln, sondern untersuchte zudem, inwiefern diese Partikel giftig für den menschlichen Körper sind. Dies ist deshalb bedeutsam, weil viele Anwendungen, etwa in Lacken, Textilien oder Zahnfüllungen, unmittelbare Auswirkungen auf den Menschen haben. Mädler konnte zeigen, dass durch die Wechselwirkungen von synthetischen Nanopartikeln mit biologischem Gewebe reaktive Sauerstoffspezies entstehen, die unerwünschte Reaktionen auslösen können.

Lutz Mädler studierte zunächst Technische Physik an der Technischen Hochschule Zwickau und anschließend Verfahrenstechnik an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg, wo er 1999 auch promoviert wurde. Seine Habilitationszeit verbrachte er an der ETH Zürich, danach war er, mit einem DFG-Stipendium ausgestattet, Senior Researcher an der University of California, Los Angeles. 2008 wurde Mädler an die Universität Bremen berufen.

Zur gesamten Pressemitteilung der DFG:

Pressemitteilung Nr. 54 | 8. Dezember 2016

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Nanotechnologie gilt als die Technologie des 21. Jahrhunderts. Sie liefert die Grundlagen, um Produkte von nur wenigen Nanometern Größe in jeder gewünschten Form herzustellen: für Mikroprozessoren, elektronische Schaltungen in Computern und in der Telekommunikation, in der Medizin und in der Biotechnologie, um nur einige Einsatzfelder zu nennen. Die wirtschaftliche Bedeutung der Nanotechnologie nimmt rasant zu. Vor diesem Hintergrund fördert die Europäische Kommission seit kurzem das Marie-Curie Trainings-Netzwerk ELENA (Low energy ELEctron driven chemistry for the advantage of emerging NAnofabrication methods), an dem 13 Universitäten, vier Forschungsinstitute und fünf Unternehmen aus 13 europäischen Ländern beteiligt sind. Ziel von ELENA ist es, eine neue Generation europäischer Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern im Bereich der Nanotechnologie auszubilden. Von ihnen sollen innovative Impulse für Forschung und wirtschaftliche Nutzung ausgehen, die Europa im internationalen Wettbewerb halten.

An ELENA, das vom isländischen Professor Oddur Ingólfsson geleitet wird, ist – neben den Universitäten Bielefeld und Erlangen-Nürnberg – auch die Universität Bremen mit Professorin Petra Swiderek vom Institut für Angewandte und Physikalische Chemie beteiligt. Alle drei Unis arbeiten bereits im Vorläufer-Projekt CELINA (Chemistry for ELectron-Induced NAnofabrication) eng zusammen, das sich im europäischen Netzwerk COST Action konstituiert hat. Es wird seit 2013 von der Bremer Chemikerin koordiniert.

Neue Chemie für die Nanotechnologie

Die Europäische Union stellt in den kommenden vier Jahren vier Millionen Fördermittel für ELENA zur Verfügung. Im Mittelpunkt von ELENA stehen zwei hochaktuelle Verfahren der Nanotechnologie, die allerdings nur mit der passenden Chemie funktionieren. Eins davon, die Elektronenstrahl-induzierte Abscheidung (Electron Beam Induced Deposition = EBID), schreibt Strukturen auf eine Oberfläche, wobei die Schrift durch Moleküle entsteht, die unter dem Elektronenstrahl zersetzt werden und dabei Abscheidungen auf der Oberfläche hinterlassen. Will man mit EBID Nanostrukturen aus einem bestimmten Material herstellen, braucht man Moleküle, die Atome dieses Materials enthalten, die aber auch leicht zu verdampfen sind, damit sie für den Schreibvorgang zur Oberfläche gelangen können. Leider ist die Zersetzung der bisher verwendeten Moleküle bei EBID meist nur unvollständig. Daher werden neue und speziell für EBID entwickelte Moleküle benötigt, die auch tatsächlich Nanostrukturen nicht nur mit gewünschter Form, sondern auch mit gewünschter Reinheit und damit präzise einstellbaren physikalischen Eigenschaften entstehen lassen.

Vor ähnlichen Problemen steht die Extrem-Ultraviolett-Lithographie. EUVL prägt ebenfalls einer Oberfläche extrem feine Strukturen auf. Allerdings werden hier sogenannte Photolacke durch Schablonen mit extrem energiereicher UV-Strahlung belichtet und dadurch chemisch umgewandelt. Auch EUVL benötigt speziell auf das Verfahren angepasste Materialien, in diesem Fall die Photolacke, die sich unter der Bestrahlung effizient und präzise zu den gewünschten Strukturen umwandeln lassen. Das Design neuer Moleküle für EBID wie auch die Entwicklung neuer, effizienterer Photolacke für EUVL stehen im Zentrum der Forschung, die insgesamt 15 herausragende internationale Promovierende gemeinsam im Rahmen von ELENA betreiben werden.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Fachbereich Biologie / Chemie
Institut für Angewandte und Physikalische Chemie
Prof. Dr. Petra Swiderek
Tel. 0421 218 63200
E-Mail: swiderek@uni-bremen.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Direct link to the impressions here.

associated with MAPEX Research Highlight 03-2016:

Controlling Heteroepitaxy by Oxygen Chemical Potential: Exclusive Growth of (100) Oriented Ceria Nanostructures on Cu(111)

Authors:

Jan Höcker, Tomáš Duchoň, Kateřina Veltruská, Vladimír Matolín, Jens Falta, Sanjaya D. Senanayake and J. Ingo Flege.

Journal:

The Journal of Physical Chemistry C (2016) 120, 4895−4901.

Die Überwachung der Rauheit technischer Oberflächen direkt im Fertigungsprozess stellt hohe Anforderungen an Verfahren und Datenverarbeitung. Aufgrund der hohen Auswirkung auf die Qualität des Gesamtergebnisses ist der Bedarf an Lösungen für eine schnelle Rauheitsmessung sehr hoch. Rauheit wird nach DIN-Standard taktil gemessen, was mit einigen Nachteilen wie Zeitaufwand und Beschädigung der Oberfläche einhergeht. Auch alternative optische Messverfahren erfordern einen ruhigen Messort, insbesondere bei spiegelnden Oberflächen.

Im vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt OptOCHar wird ein neuartiges Verfahren für die flächenhafte optische Rauheitsmessung für den direkten Einsatz im Produktionsprozess konzipiert, das alle genannten Nachteile vermeidet.

Erster Demonstrator für Oberflächencharakterisierung mit Streulicht-Sensoren erreicht 600Hz Messtakt

Das im Projekt OptOCHar erforschte Laserstreulicht-Messverfahren des Bremer Instituts für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft ist prädestiniert für die flächenhafte Charakterisierung von metallischen, spiegelnden Oberflächen. Die Auswertung analysiert Digitalbilder von Laserreflexionen, die auch in unruhiger Umgebung, etwa im Fertigungsprozess, aufgenommen werden können. Das Verfahren nutzt dabei besondere Eigenschaften des Laserlichts aus, um Rauheiten im Nanometerbereich zu erkennen. Ziel ist eine möglichst vollständige Charakterisierung von großen, schnell bewegten Oberflächen.

Im Projekt wurde nun der Labordemonstrator zur Projekthalbzeit vorgestellt. Mit dem Demonstrator wurde die grundsätzliche Machbarkeit des Verfahrens gezeigt, vor allem aber wurden auch wichtige Meilensteine bezüglich der Kennzahlen des Sensorsystems erreicht. Mit über 600 Bildern pro Sekunde verarbeitet die bei der CoSynth GmbH & Co. KG entwickelte FPGA-Auswerteeinheit bereits weit mehr Daten als ursprünglich geplant und hat noch Potenzial nach oben. Die so verarbeitete Fläche liegt bei über 40.000 mm²/s. Das System eignet sich so hervorragend für die vorgesehenen Anwendungsfälle großer und schnell bewegter Oberflächen. Auf hoch spiegelnden Metalloberflächen mit Rauheiten im Bereich um Ra = 20 nm konnten Auflösungen von 2 nm im Ra-Wert-Äquivalent erreicht werden. Unter Wiederholbedingungen ist die Messunsicherheit σ_Ra deutlich geringer als 1 nm.

Für die beiden Anwendungsfälle des Projekts wird der Labordemonstrator in den nächsten Monaten auf den Einsatz im Fertigungsprozess vorbereitet. Beim assoziierten Partner Tata Steel Plating Hille & Müller GmbH wird das System an polierten Walzen und direkt in der Stahlblechveredelung evaluiert. Für die schnelle, flächenhafte Analyse von Oberflächen in stationären Messgeräten wird das System bei der FRT GmbH vorbereitet.

Durch die Robustheit und Schnelligkeit bei gleichzeitig extrem hoher Auflösung bietet sich das Verfahren für viele Bereiche an. Im Projekt werden u.a. die Halbleiterindustrie, die Solarindustrie, die Medizintechnik, die Stahlproduktion und die metallverarbeitende Industrie adressiert. Nach Projektende werden die Verbundpartner den Sensor zur Serienreife bringen und in unterschiedlichen Konfigurationen auf den Markt bringen. Das mit knapp 1,4 Millionen Euro durch die BMBF-Initiative „KMU-innovativ: Photonik / Optische Technologien“ geförderte Projekt läuft seit März 2015. Die Verbundpartner CoSynth GmbH & Co. KG aus Oldenburg, FRT GmbH aus Bergisch Gladbach, Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft der Universität Bremen und als assoziierter Anwendungspartner Tata Steel Plating Hille & Müller GmbH aus Düsseldorf forschen insgesamt drei Jahre an dem Thema und werden Anfang 2018 die Ergebnisse präsentieren.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Fachbereich Produktionstechnik
Institut für Messtechnik, Automatisierung und Qualitätswissenschaft (BIMAQ)
Dr.-Ing. Stefan Patzelt
Tel. 0421 218 64618
E-Mail: pa@bimaq.de
und
CoSynth GmbH & Co. KG
Christian Stehno
Tel.: 0441/36116-756
E-Mail: stehno@cosynth.com

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Program:

10:00-10:30 OHB presentation
10:30-10:45 Human Resources
10:45-11:15 Meteosat Third Generation, MTG
11:15-11:30 Discussion
11:30-12:00 Integration (visitor's area)

Please register no later than 2 December 2016, using the following link:

Registration

For the registration at OHB we need to ask you for the following information: Name, date of birth, nationality, passport number (or ID card)

The number of participants is limited to 25, first come - first served.

More information on OHB System AG: www.ohb-system.de

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MAPEX NEWSletter Archive >

The idea of this project is to explore chemical compounds with regard to their temperature-dependent optical behavior as potential indicators in composites like lightweight construction materials. These are essential in aviation and automotive industries, but thermal failure prediction for such materials is extremely difficult due to their inherent complexity. With this approach, safety can be increased and waste reduced.

The strategy to achieve this goal will be to develop inorganic thermochromic compounds with defined properties. Color changes will be thoroughly studied along with the underlying structural parameters and electronic properties, aiding a better understanding of thermochromic transitions. Further aspects include the analysis of the thermochromism of these materials in matrices and their influence on the structural and mechanical parameters of composites

As this project represents a highly interdisciplinary research area, it perfectly fits into the MAPEX initiative and invites all members for fruitful exchanges.

Für seine interdisziplinären Forschungsansätze auf dem Gebiet der Fertigungstechnik erhielt der Bremer Produktionstechniker Dr. Daniel Meyer am 5. September 2016 im Rahmen des 6. Jahreskongresses der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Produktionstechnik (WGP) die Otto-Kienzle-Gedenkmünze. „Die Forschungen von Daniel Meyer sind durch ihren interdisziplinären Ansatz einzigartig und erlauben eine völlig neue Sichtweise auf die Produktionstechnik, insbesondere in der Kühlschmierstoffforschung“, sagte Professor Eberhard Abele, Präsident der WGP, der die Medaille überreichte. „Seine national und international viel beachteten wissenschaftlichen Arbeiten stoßen auch in der Industrie auf Interesse. Sie verbessern nicht nur das Grundlagenverständnis, sondern erlauben Maschinenbauern, ressourcen- und damit energieeffizienter zu arbeiten und gleichzeitig ihre Produktivität zu steigern.“

Interdisziplinäre Kühlschmierstoffforschung

In seiner Forschung rückt der Biologe und promovierte Produktionstechniker in einzigartiger Weise die mikrobiellen und chemischen Eigenschaften von Kühlschmierstoffen (KSS) in den Fokus der Wissenschaft. Darüber hinaus bringt er interdisziplinäre Ansätze in die Erforschung der Randzoneneigenschaften von Bauteilen ein. „Dank unseres Verständnisses über die Zusammenhänge in KSS und die Mechanismen bei der Werkstoffmodifikation können wir zukünftig Fertigungsprozesse wissensbasiert planen“, so Meyer, der sich im transregionalen SFB TRR 136 als Teilprojektleiter der Herleitung von Prozesssignaturen widmet. „Die erfahrungsbasierte Bearbeitung funktioniert zwar in vielen Bereichen sehr gut, aber sie kann noch optimiert werden. Wenn wir die Mechanismen verstehen, die sich in einem Werkstoff bei chemischen oder auch thermischen und mechanischen Einflüssen abspielen, können wir den Prozess so auslegen, dass exakt die gewünschte Reaktion auftritt.“ Aufbauend auf die neuen Erkenntnisse trägt der Nachwuchsforscher zu einem besseren Verständnis der Größen beim KSS-Einsatz sowie für die Steigerung der Produktivität von Fertigungsprozessen bei.

Neue Verfahren in der Randzonenhärtung

Die Auszeichnung mit der Otto-Kienzle-Gedenkmünze verdankt Meyer auch der Entwicklung eines Hybridverfahrens zur Härtung von Randzonen metallischer Bauteile. Bei vielbelasteten Werkstücken wie Turbinenschlaufen, Kurbelwellen oder Kugellagern sind die Randzonen besonders beansprucht. Beim kryogenen Festwalzen wird das Werkstück während der mechanischen Bearbeitung mit Trockeneis bestrahlt und dadurch gehärtet. Dieses Verfahren ersetzt somit das thermische Härten unter hohem Energieaufwand im Ofen und verkürzt die Prozesskette. „Das spart viel Zeit und Energie, und trotzdem erreichen wir die für das jeweilige Bauteil erforderlichen Härtebereiche – oder sogar noch höhere. Und das Ganze funktioniert mit einem besonders für kleinere Losgrößen deutlich energieeffizienteren Verfahren“, sagt Meyer. Das kryogene Festwalzen basiert auf einer Übertragung naturwissenschaftlicher Zusammenhänge auf die erreichbaren Materialmodifikationen in fertigungstechnischen Prozessen und spiegelt damit den wissenschaftlichen Werdegang des Preisträgers wieder.

Der Preisträger

Dr.-Ing. Dipl.-Biol. Daniel Meyer ist seit 2006 Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Professor Ekkard Brinksmeier im Fachgebiet Fertigungsverfahren des Fachbereichs Produktionstechnik der Uni Bremen. Er leitet die Nachwuchsgruppe Oberflächenfunktionalisierung in der Fertigung und ist Oberingenieur der Hauptabteilung Fertigungstechnik der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) Bremen. Seit 2011 gehört Meyer den CIRP Research Affiliates an, einer Vereinigung weltweit führender Nachwuchsforscher aus der Produktionstechnik. Seit 2014 ist er zudem Mitglied der Arab German Young Academy (AGYA), die sich interdisziplinäre und interkulturelle Forschung zum Ziel gesetzt hat. Meyer erhielt bereits mehrere Auszeichnungen für seine wissenschaftlichen Arbeiten, darunter 2013 die F.W. Taylor Medal der Internationalen Akademie für Produktionstechnik (CIRP) sowie 2014 den Heinz Mayer-Leibnitz-Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). Ebenfalls 2014 wurde er vom Magazin „Capital“ zu einem der 40 bedeutendsten und vielversprechendsten Nachwuchswissenschaftler Deutschlands gewählt.

Die Auszeichnung

Die WGP vergibt seit 1970 einmal jährlich diese Auszeichnung an jüngere promovierte Ingenieure für hervorragende Leistungen auf dem Gebiet der Fertigungstechnik. Die Medaille ist Professor Otto Kienzle gewidmet, einer der herausragenden Persönlichkeiten der ehemaligen "Hochschulgruppe Fertigungstechnik", die Vorläufer-Organisation der WGP. Daniel Meyer ist der erste in Bremen promovierte Nachwuchsforscher, dem die Ehre der Verleihung dieses Preises zuteil wird.

Weitere Informationen:
Universität Bremen
Fachbereich Produktionstechnik
Carolin Walter M. A. (Wissenschaftskommunikation)
E-Mail cwalter@iwt-bremen.de
Tel.:0421 218 513 74

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen.

Ästhetik in Präzision – verblüffende Bilder kleinster metallischer Bauteile, Umformwerkzeuge, Werkstoffe und großer Maschinen erwarten Sie vom 7. September bis zum 3. November 2016 im Haus der Wissenschaft. Der Sonderforschungsbereich (SFB) 747 „Mikrokaltumformen“ der Universität Bremen zeigt neuste Methoden und Prozesse für die intelligente Produktion von metallischen Mikrobauteilen in großen Stückzahlen. Solch winzige Bauteile werden beispielsweise in Smartphones, Fahrerassistenzsystemen und Hörgeräten verbaut. Mikrobauteile sind in mindestens zwei Dimensionen kleiner als ein Millimeter. Die Ausstellung zeigt in Fotos, Simulationen und Mikroskopien Facetten der Massenproduktion metallischer Mikrobauteile. Zu sehen sind die schönsten Bilder aus dem Forschungsalltag des SFB 747 und Fotografien von Teilnehmern eines Workshops zur Industriefotografie von Mikrobauteilen, für die der SFB seine Labortüren geöffnet hat. Außerdem zeigt der SFB die schönsten Bilder des Fotowettbewerbs „Massenproduktion von Mikrobauteilen“.

Link zur original mikromal Mitteilung.

Woizeschke et al., Journal of Materials Engineering and Performance 24, 3558-3572 (2015)

Erneut wurde Wissenschaftlern der Universität Bremen für ein Forschungsprojekt eine hohe Summe von Drittmitteln bewilligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert mit insgesamt 420.000 Euro über drei Jahre ein Projekt in der Grundlagenforschung unter Leitung von Dr. Arne Wittstock und Professor Dieter Wöhrle im Studiengang Chemie. Es geht um eine Kombination von nanoporösem Gold mit Metallkomplexen, die eine wirkungsvolle photokatalytische Oxidation ermöglichen sollen. Die Hybridmaterialien werden umweltfreundliche und energiesparende Innovationen bei der chemischen Synthese und bei der Abwasserreinigung möglich machen, das Stichwort lautet: „Grüne Chemie“. So können Schadstoffe wie Phenol oder Schwefelverbindungen im Wasser abgebaut werden.

Die Fachgutachter der Deutschen Forschungsgemeinschaft schreiben in ihrer Befürwortung des Projektes: „Kollege Wöhrle ist bereits seit Jahrzehnten einer der namhaftesten Vertreter der organischen Chemie.“ Der inzwischen pensionierte Chemiker hat mehr als 400 Publikationen veröffentlicht und ist weiterhin sehr aktiv. Er arbeitet seit mehreren Jahren mit Dr. Arne Wittstock aus dem Bereich der Katalyseforschung in gemeinsamen Projekten. Die DFG bescheinigt ihm wiederum „eine beeindruckende Expertise zu nanoporösen Gold-Substraten“. Dr. Wittstock könne auf mehr als 40 Publikationen verweisen, darunter ein Science Paper, das bereits 300 Mal zitiert wurde.

Über das aktuelle Forschungsprojekt

„Nanoporöses Gold modifiziert mit makrozyklischen Metallkomplexen für effiziente photokatalytische Oxidationen“, so der genaue wissenschaftliche Titel, kommt unter sichtbarem Licht, also auch solarer Einstrahlung, zur Wirkung. Die auf dem Gold gebundenen Metallkomplexe, die dem Chlorophyll in ihrer Struktur ähnlich sind, geraten bei Lichteinwirkung in einen angeregten Zustand. Werden sie nun mit geringsten Mengen porösem Gold kombiniert, das man sich wie einen Schaumstoff vorstellen muss, verstärkt sich diese Wirkung deutlich. Die Poren des Goldes sind winzig klein und nur unter dem Rasterelektronenmikroskop erkennbar. Der Vorteil der Kombination beider Materialien ist, dass das Gold mit 80 Prozent Porenvolumen eine große Oberfläche hat (ein cm² Beschichtung generiert 1000 cm² Oberfläche) und auch Teile des Lichtes aufnimmt. Dadurch werden Schwingungen der freien Elektronen im Gold angeregt, und die dann frei werdende Energie wird an den Metallkomplex weiter geleitet. Dieser nun mehrfach angeregte Metallkomplex gibt Energie an energiearmen Sauerstoff der Luft ab, und der dabei gebildete energiereiche Sauerstoff reagiert dann in der Photooxidation organischer Verbindungen. Durch die Kombination hochporöser und sehr dünner Beschichtungen dieses Goldmaterials mit Metallkomplexen als Photosensibilisatoren ergibt sich eine große Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten. Das Zusammenspiel beider Komponenten und eine weitere Steigerung der Effizienz der Systeme wird in dem bewilligten Projekt weiter erforscht.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Fachbereich Biologie/Chemie
Makromolekulare Chemie und Materialwissenschaften
Prof. Dr. Dieter Wöhrle,
Tel.: 0421-21863135
E-Mail: woehrle@uni-bremen.de
Homepage von Herrn Prof. Dr. Dieter Wöhrle

Dr. Arne Wittstock,
Institut für angewandte und physikalische Chemie
Tel.: 0421-21863400
E-Mail: awittstock@uni-bremen.de
www.nanoporousgold.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen

Murmel-Action gepaart mit Informationen zu Grundlagenforschungen – das bietet die neue App des Sonderforschungsbereiches (SFB) 747 Mikrokaltumformen der Universität Bremen. Das Lernspiel „mikromal Mobile“ veranschaulicht auf unterhaltsame Weise spezielle physikalische Effekte im Mikrobereich. Diese werden zum Beispiel bei der Produktion von Smartphones, Hörgeräten und in der Automobilindustrie eingesetzt. Entwickelt haben die App für Android-Geräte zwei Studenten des Masters „Games“ der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) Hamburg in Zusammenarbeit mit dem SFB 747. Die App „mikromal Mobile“ ist im Google Play Store unter https://play.google.com/store/apps/details?id=de.supyrb.mikromal&hl=de  erhältlich. Ein kurzes Video zu dem Lernspiel gibt es auf dem Youtube-Kanal der Universität Bremen unter https://www.youtube.com/watch?v=NxmOtTWwcX0.

Hindernisse geschickt überwinden

Das von den Studenten Johannes Deml und Andreas Gaschka programmierte und gestaltete Lernspiel beruht auf einer Idee des SFB-Sprechers Professor Frank Vollertsen. In dem Spiel treffen die Spielerinnen und Spieler auf Hindernisse, die auf besonderen physikalischen Effekten im Mikrobereich basieren und die die Spielerinnen und Spieler so näher kennenlernen. Die Hindernisse können durch die Auswahl der richtigen Kugelgröße überwunden werden. So sind die Spielerinnen und Spieler beispielsweise in der Lage, mit der kleinsten Kugel einen Abgrund zu überwinden, indem sie die Kugel mittels so genannter Adhäsionskraft an der Decke entlang laufen lassen.

Ideen durch Laborbesuche entwickelt

Die Ideen für das Spiel konnten Andreas Gaschka und Johannes Deml durch Laborbesuche und einen intensiven Dialog mit den SFB-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern ausbauen. Der Lernprozess wird von den Spielerinnen und Spielern nur unbewusst wahrgenommen. „Das Transformieren der physikalischen Effekte im Mikrobereich in spannende Spielemechaniken war für uns besonders reizvoll“, so Deml und Gaschka. Entwickelt haben die Studenten das Spiel mit Unterstützung von Professor Gunther Rehfeld im Games-Labor der HAW-Hamburg. Professor Rehfeld doziert im Masterstudiengang zeitabhängige Medien / Audio – Vision – Games an der HAW Hamburg und hat langjährige Erfahrung in der Gamedesignausbildung.

SFB geht neue Wege in der Wissenschaftskommunikation

Der Sonderforschungsbereich 747 geht mit „mikromal Mobile“ neue Wege im Bereich der Wissenschaftskommunikation. Neben klassischen Elementen der Öffentlichkeitsarbeit, wie Vorträgen, Ausstellungen und Schüleraktionen soll die Anwendung der Öffentlichkeit das industrielle Verfahren Mikrokaltumformen über einen spielerischen Ansatz auf Smartphone und Tablet näherbringen. Entstanden ist die App in dem SFB 747 Öffentlichkeitsprojekt „mikromal“.

Was ist „mikromal“?

„mikromal“ ist das Nachwuchsförderungs- und Öffentlichkeitsprojekt des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereichs 747 „Mikrokaltumformen – Prozesse, Charakterisierung, Optimierung“ der Universität Bremen. Neben Ausstellungen und regelmäßigen Aktionen zum „Kids Day“ und „Weltretter-Tag“ organisieren die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter Schulprojekte rund um die Forschungsthemen des SFB. Ziel ist es, die Mikroumformtechnik bekannter zu machen und Schülerinnen und Schüler für Technik zu begeistern. Besuchen Sie den SFB 747 im Internet unter www.sfb747.uni-bremen.de  , www.mikromal.de  und bei Facebook (www.facebook.de/sonderforschungsbereich747 ).

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Sonderforschungsbereich 747 Mikrokaltumformen
Malte Behlau (Projektkoordinator „mikromal“)
Telefon: 0421 218-58022
E-Mail: behlau@bias.de

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MAPEX NEWSletter Archive >

Dem Bremer Chemie-Professor Simon Grabowsky vom Institut für Anorganische Chemie und Kristallographie im Fachbereich Biologie/Chemie der Universität Bremen gelang es nun erstmals, mit Hilfe von Röntgenstrahlen Wasserstoffatompositionen exakt und präzise zu bestimmen. Dies galt bis jetzt als unmöglich, da Röntgenstrahlen nur mit den Elektronen im Atomsystem eine Wechselwirkung ausüben können und nicht mit den Kernen. Deshalb wurden bisher Neutronenstrahlen benutzt, welche mit den Kernen wechselwirken. Aber eine Neutronenquelle - z.B. ein Kernreaktor - ist wesentlich teurer, schwerer zugänglich sowie mit mehr Risiken verbunden als eine einfache Röntgenröhre, die in jedem naturwissenschaftlichen Institut installiert ist. Zusammen mit einem internationalen Forscherteam der Universität Warschau und der University of Western Australia zeigt Grabowsky auf, dass es über eine Änderung des mathematisch-physikalischen Modells des Beugungsphänomens – dem sogenannten Hirshfeld Atom Refinement - möglich wird, akkurate und präzise Wasserstoffatompositionen auch aus routinemäßig durchführbaren Röntgenbeugungsexperimenten zu gewinnen. Dieses Ergebnis stellt der Bremer Forscher in seinem Artikel ,,Hydrogen atoms can be located accurately and precisely by x-ray crystallography" in der Fachzeitschrift „Science Advances“ vor, der am 27. Mai 2016 erschien. Die Zeitschrift gilt als eine der renommiertesten Disziplin-übergreifenden Wissenschaftsjournale und stellt den Lesern alle Artikel kostenlos zur Verfügung.

Warum ist das Ergebnis so wichtig?

Wasserstoff ist das leichteste und kleinste Atom, da es nur ein Elektron und ein Proton besitzt. Daher vervollständigt es alle freien Stellen in chemischen Verbindungen und bildet damit sozusagen die molekulare Haut um fast jedes Material oder Medikament. Deshalb ist die Kenntnis der genauen Wasserstoffatompositionen extrem wichtig für Materialwissenschaften und Pharmazie, um beispielsweise die Wirkstoff-Enzym-Wechselwirkungen zu charakterisieren. „Das ist ein großer Fortschritt, weil wir in Zukunft mit fortschreitender Computerleistung in der Lage sein werden, für jede Routine-Strukturaufklärung die Wasserstoffatome in wenigen Stunden so genau zu lokalisieren, wie es bisher nur nach erheblichem Aufwand mit tagelangen Messungen am Kernreaktor möglich war“, erklärt Simon Grabowsky, Korrespondenzautor der Studie. Der Bremer Wissenschaftler hält sich zurzeit zu Forschungszwecken in Japan auf, ist aber per E-Mail für Nachfragen gut zu erreichen.

Weitere Informationen

Universität Bremen
Prof.Dr. Simon Grabowsky
Emmy Noether Research Group Leader
Institut für Anorganische Chemie und Kristallographie
Fachbereich Biologie/Chemie
E-Mail: simon.grabowsky@uni-bremen.de

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„Damit haben wir innerhalb weniger Tage zweimal die Erfolgsquote von 100 Prozent bei der DFG erreicht“, sagt Uni-Rektor Bernd Scholz-Reiter. Dies sei eine herausragende Leistung, auf die die Universität Bremen mit ihren Partnern sehr stolz sein könne. Der Wettbewerb bei der DFG sei hart umkämpft. „Unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben wieder einmal bewiesen, dass sie auf höchstem Niveau forschen“, so der Rektor. Die Zusammenarbeit mit der Universität Hamburg und den weiteren Partnern zeigt, dass die Universitäten und wissenschaftlichen Einrichtungen Kooperation intensiv leben. „Auch diese DFG-Entscheidung stärkt uns in der Bewerbung für die Exzellenzinitiative“, so der Rektor. Die neuen Sonderforschungsbereiche intensivieren die interdisziplinäre Zusammenarbeit am MARUM, das bereits ein Exzellenzcluster hat. In den Verfahrens-, Produktions- und Materialwissenschaften wird die Arbeit des MAPEX Center for Materials and Processes gestärkt, das einen Clusterantrag stellen will. Hier werden fächerübergreifend neue Materialien und deren Verarbeitungsprozesse erforscht.

SFB „Farbige Zustände“:
Hochdurchsatzmethode zur Entwicklung neuer Konstruktionswerkstoffe

Ob Energiewende oder Mobilität: Die Anforderungen an metallische Werkstoffe der Zukunft wachsen, ihrer Entwicklung kommt inzwischen eine Schlüsselrolle zu. Dabei ist immer ausschlaggebend, die Eigenschaften der Werkstoffe entsprechend an die Anforderungen anzupassen. Die Auswahl der geeignetsten Legierungszusammensetzungen und die Einstellung der entsprechenden Kristalle eröffnen komplexe und vielfältige Suchräume. Dies macht herkömmliche Methoden der Werkstoffentwicklung langwierig und fordert Ressourcen. Oft war es bisher auch der Zufall, der einen passenden Werkstoff hervorbrachte. Das zeigt das schon hundertjährige Beispiel des Edelstahls. Auf der Basis neuer Methoden zur Urformung, Einfärbung und Charakterisierung mikroskopischer Werkstoffproben, der Probenlogistik sowie mathematischer und informatischer Verfahren zur Analyse großer Datenmengen wird in dem SFB „Farbige Zustände“ unter der Leitung des Verfahrenstechnikers Professor Lutz Mädler vom Institut für Werkstofftechnik (IWT) an der Uni Bremen ein neuartiges Hochdurchsatzverfahren entwickelt.

Die Methode „Farbige Zustände“ macht damit eine evolutionäre Materialentwicklung möglich, die Neuland hinsichtlich Legierungs- und Prozesskombinationen erschließt. Große Suchräume können effizient durchschritten sowie Werkstoffe erzeugt und untersucht werden. So soll die Entwicklung neuer Konstruktionswerkstoffe beschleunigt werden. „Wir haben den SFB über fast drei Jahre mit einem hochmotivierten Team vorbereitet“, sagt Mädler. „Die Bewilligung ist für uns ein großer Erfolg und wir freuen uns, ab diesem Sommer unsere Forschungsidee in die Tat umsetzen zu können.“  Das Forschungsteam ist interdisziplinär aufgestellt und vereint die Fachrichtungen Verfahrenstechnik, Fertigungstechnik, Werkstofftechnik, Informatik, Mathematik sowie Planung und Logistik.

Neben dem Institut für Werkstofftechnik (IWT) sind an der Uni Bremen die Arbeitsgruppe Rechnerarchitektur (AGRA), das Bremer Institut für angewandte Strahltechnik (BIAS), das Bremer Institut für Strukturmechanik und Produktionsanlagen (BIME), das Zentrum für Umweltforschung und nachhaltige Technologien (UFT) sowie das Zentrum für Technomathematik (ZeTeM) beteiligt. Als überregionaler Kooperationspartner vervollständigt das Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) aus Düsseldorf das Team des SFB.

SFB/Transregio „Energietransfer in der Atmosphäre und im Ozean“:
Der Kaffee-Sahne-Effekt und andere Turbulenzen

Wer schon einmal Sahne in eine Tasse Kaffee gegeben hat, weiß, wie turbulente Strömungen zur Vermischung der beiden Flüssigkeiten führen. Was sich in der Kaffeetasse auf kleiner Skala abspielt, findet ganz ähnlich auch in der Atmosphäre und im Ozean statt. Physikalische Vorgänge auf kleinster Ebene sind dabei mit den globalen Winden und Strömungen verbunden – und von entscheidender Bedeutung für das globale Klima. Die Forscherinnen und Forscher des fächerübergreifenden SFB/Transregio „Energietransfer in der Atmosphäre und im Ozean“ wollen diese turbulenten Prozesse und Wellenvorgänge untersuchen, um aktuelle Klimamodelle zu verbessern und neue Modelle mit geschlossenem Energiehaushalt zu entwickeln. „Trotz aller Fortschritte zeigen bestehende Klimamodelle immer noch energetische und mathematische Inkonsistenzen, was zu erheblichen Fehlern bei Klimavorhersagen führen kann“, sagt Professor Carsten Eden, Sprecher des Projekts vom Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN) der Universität Hamburg. „Jetzt ist der richtige Zeitpunkt, die Aktivitäten in den verschiedenen Disziplinen zusammenzubringen und neue Wege zu beschreiten“.

In dem Projekt arbeiten Ozeanographen, Meteorologen und Mathematiker eng zusammen. Die Vision der Forscherinnen und Forscher ist es, den Energieaustausch im Klimasystem zu verstehen und stimmig zu beschreiben und sowohl physikalisch wie auch mathematisch verbesserte Ozean- und Atmosphärenmodelle zu entwickeln. Der SFB/Transregio umfasst die Standorte Hamburg, Bremen und Rostock und wird am Forschungszentrum CEN der Universität Hamburg koordiniert. Die Bremer Ozeanographin Professorin Monika Rhein vom MARUM und Institut für Umweltphysik repräsentiert die Uni Bremen im SFB/Transregio. Sie bringt in den Bereichen Experimentelle Meeresforschung ihre fachliche Expertise ein. Zudem gibt es an der Universität Bremen weitere Expertise aus der Mathematik und der theoretischen Meeresforschung.

Weitere Partner sind die Jacobs University Bremen, das Alfred-Wegener-Institut, Helmholz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, die Leibniz-Institute für Atmosphärenphysik und Ostseeforschung Warnemünde der Universität Rostock, das Max-Planck-Institut für Meteorologie und das Helmholtz-Zentrum Geesthacht. Aus dem Bundesland Bremen sind sieben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an insgesamt  zehn der 17 Projekte als Projektleitende beteiligt.

Was sind Sonderforschungsbereiche?

Sonderforschungsbereiche (SFB) gehören zu den begehrtesten Förderprogrammen für Forscherinnen und Forscher an deutschen Hochschulen. Es handelt sich hier um langfristig angelegte Projekte, die sich alle vier Jahre einer Prüfung unterziehen müssen, um von der DFG verlängert zu werden. Die Maximalförderung von zwölf Jahren ist eine Auszeichnung. Sie bedeutet, dass an der betreffenden Universität besonders erfolgreich zum geförderten Thema geforscht wird. An der Uni Bremen gibt es mit dem neuen SFB zurzeit drei Sonderforschungsbereiche unter der Leitung von Professoren aus dem Fachbereich Produktionstechnik. Zudem ist sie mit dem neuen SFB/Transregio insgesamt an zwei weiteren beteiligt.

Weitere Informationen:

SFB „Farbige Zustände“:
Universität Bremen
Fachbereich Produktionstechnik – Maschinenbau & Verfahrenstechnik
Prof.Dr.-Ing. Lutz Mädler (Sprecher des SFB)
Tel.: +49 421 218-51200
E-Mail: lmaedler@iwt.uni-bremen.de

Claudia Sobich
(Öffentlichkeitsarbeit)
Tel.: +49 421 218 51201
E-Mail: sobich@iwt.uni-bremen.de

SFB/Transregio „Energietransfer in der Atmosphäre und im Ozean“:
Universität Hamburg:
Institut für Meereskunde
Centrum für Erdsystemforschung und Nachhaltigkeit (CEN)
Prof.Dr. Carsten Eden (Sprecher des SFB/Transregio)
Tel.: +49 40 42838 7623
E-Mail: carsten.eden@uni-hamburg.de

Ute Kreis
Öffentlichkeitsarbeit CEN
Tel.: +49 40 42838-4523
E-Mail: ute.kreis@uni-hamburg.de

Universität Bremen:
Zentrum für Marine Umweltwissenschaften (MARUM) / Institut für Umweltphysik (IUP)
Prof.Dr. Monika Rhein
Tel.: +49 421 218 62160
E-Mail: mrhein@physik.uni-bremen.de

Ulrike Prange (MARUM-Öffentlichkeitsarbeit)
Tel.: +49 421 218-65540
E-Mail: uprange@marum.de
 

Ähnliche Links

• Dieser Youtube-Film veranschaulicht die Vorgehensweise des SFB "Farbige Zustände"
• Weitere Informationen zur Förderung der DFG an der Uni Bremen finden Sie hier.

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Neue Einrichtungen für Promovierende in der Technomathematik und den Materialwissenschaften / Kolleg in der Gravitationsphysik verlängert / Entscheidung stärkt Universität in der Exzellenzinitiative

Besser geht`s nicht: Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat alle Anträge der Universität Bremen für Graduiertenkollegs bewilligt. So kann sie am 1. Oktober 2016 ein Graduiertenkolleg in den Materialwissenschaften in Kooperation mit der Jacobs University Bremen, der Universität Oldenburg und dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Struktur der Materie in Hamburg starten. Ein weiteres beginnt in der Technomathematik. Zudem wurde in der Gravitationsphysik ein Graduiertenkolleg verlängert, das die Uni Bremen in Kooperation mit der Uni Oldenburg betreibt.

„Damit haben wir eine hundertprozentige Erfolgsquote“, freut sich der Rektor der Universität Bremen, Professor Bernd Scholz-Reiter. Das Ergebnis zeige, dass sich die Exzellenzuniversität Bremen mit ihren Kooperationspartnern in der Wissenschaftslandschaft auf hohem Niveau bewege. Auch stärkt die DFG-Bewilligung die Uni Bremen in ihrer Bewerbung für die nächste Runde in der Exzellenzinitiative. Schließlich gehören die Materialwissenschaften und die Weltraumforschung zu den Schwerpunkten der Universität. Die Technomathematik ist wiederum ein wichtiges Querschnittsfeld. Insgesamt hat die DFG 18 Graduiertenkollegs für 4,5 Jahre mit einem Gesamtfördervolumen von 74 Millionen Euro neu bewilligt. Davon erhält die Uni Bremen rund 12 Millionen Euro (rund 3,8 Mio. Euro Technomathematik, etwa 4 Mio. Euro Materialwissenschaften, ca. 4 Mio. Euro Gravitationsphysik). 

 Die Graduiertenkollegs der Uni Bremen im Überblick:

 „Pi³“: Graduiertenkolleg für Mathematiker

Mathematik ist eine universelle Sprache. Sie ist wie keine andere Wissenschaft geeignet, komplexe Fragestellungen handhabbar zu machen, indem sie sie auf das Wesentliche reduziert. Zahlreiche Probleme der Natur-, Lebens- und Ingenieurwissenschaften sowie aus industriellen und wirtschaftlichen Anwendungen führen auf einer abstrakten Ebene zu verwandten Modellen. In dem Graduiertenkolleg „Pi³: Parameter Identification – Analysis, Algorithms, Implementations“ von Professor Peter Maaß (Zentrum für Technomathematik) werden internationale Promovierende an der Schnittstelle von Angewandter Mathematik und Wissenschaftlichem Rechnen für den akademischen und nicht-akademischen Arbeitsmarkt ausgebildet. Mathematisch-fachliche Qualifizierung und die Förderung wissenschaftlicher Selbstständigkeit sind die Leitmotive des neuen Kollegs. Die im Graduiertenkolleg neu entwickelten Verfahren sollen exemplarisch zur Optimierung von Vergasersystemen im Automobilbau, zur Analyse von Stoffwechselstrukturen aus massenspektrometrischen Daten und zur optischen Analyse von Faserstrukturen eingesetzt werden.

„QM³: Neue Wege in der quantenmechanischen Materialmodellierung

Ziel des neuen Graduiertenkollegs "QM³: Quantum Mechanical Materials Modelling” der Professoren Thomas Frauenheim und Tim Wehling ist es, neue Möglichkeiten der Simulation von Materialeigenschaften auf atomarer Skala zu etablieren. Dabei kooperieren sie mit der Jacobs University Bremen, der Universität Oldenburg und dem Max-Planck-Institut für Dynamik und Struktur der Materie in Hamburg. Eine Vielzahl von Materialeigenschaften, die man in der Chemie oder Photovoltaik nutzt, werden durch die Gesetze der Quantenmechanik und durch atomare Strukturen bestimmt. Das Verständnis und die Simulation dieser Eigenschaften stellt die Wissenschaft vor enorme Herausforderungen, da oft unterschiedliche Quellen von Komplexität gemeinsam auftreten. Ziel des Graduiertenkollegs ist es, eine einzigartige interdisziplinäre Forschungs- und Ausbildungsinfrastruktur zu schaffen. Sie sollen die wichtigsten Richtungen in der quantenmechanischen Materialmodellierung aus den fachübergreifenden Naturwissenschaften in einem strukturierten Doktorandenprogramm miteinander verbindet. In der Forschung wird das Graduiertenkolleg neue Richtungen der quantenmechanischen Materialmodellierung etablieren und auf aktuelle Themen anwenden.

Verlängert: „Models of Gravity"

Das Graduiertenkolleg „Models of Gravity“ wird federführend von den Professoren Jutta Kunz (Universität Oldenburg) und Claus Lämmerzahl vom Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) an der Universität Bremen geleitet. In den vergangenen Jahren hat das Graduiertenkolleg erfolgreich in der Gravitationsphysik geforscht und junge Doktorandinnen und Doktoranden  ausgebildet. „Wir freuen uns, dass wir dies  weitere viereinhalb Jahre fortführen können“, so Kunz und Lämmerzahl. Neben den Universitäten Oldenburg und Bremen sind an dem Graduiertenkolleg auch die Jacobs University Bremen, die Universitäten Hannover und Bielefeld und als externer Partner die Universität Kopenhagen beteiligt. Weitere Informationen unter www.models-of-gravity.org.

Uni Bremen hat jetzt insgesamt sechs Graduiertenkollegs

Mit der aktuellen Bewilligung und Fortführung der Graduiertenkollegs hat die Universität Bremen jetzt insgesamt sechs Einrichtungen dieser Art, die sie zum Teil mit Kooperationspartnern betreibt. Seit 2009 gibt es das internationale Kolleg „Integrierte Küsten- und Schelfmeerforschung“. 2012 folgte „Models of Gravity“, das jetzt um weitere 4,5 Jahre verlängert wurde. Seit 2013 gibt es „Mikro-, meso- und makroporöse nichtmetallische Materialien: Grundlagen und Anwendungen“ (MIMENIMA) sowie das internationale Graduiertenkolleg „ArcTrain – Processes and impacts of climate change in the North Atlantic Ocean and the Canadian Arctic“. Weitere Informationen finden Sie unter www.uni-bremen.de/forschung/forschung-aus-drittmitteln/foerderungen-der-dfg.html.

Weitere Informationen:

Graduiertenkolleg „Pi³: Parameter Identification – Analysis, Algorithms, Implementations“:

Universität Bremen
Fachbereich Mathematik / Informatik
Zentrum für Technomathematik
Dr. Tobias Kluth
Tel: 0421-218 63817
E-Mail: tkluth@math.uni-bremen.de

Graduiertenkolleg "QM³: Quantum Mechanical Materials Modelling”:

Universität Bremen
Fachbereich Physik / Elektrotechnik
Institut für theoretische Physik
Prof. Dr. Tim Wehling
Tel: 0421 218-62039
E-Mail: wehling@itp.uni-bremen.de

Graduiertenkolleg „Models of Gravity":

Universität Bremen
Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM)
Prof. Dr. Claus Lämmerzahl
Tel. 0421 218-57834
Mobile 0175-5756992
E-Mail: claus.laemmerzahl@zarm.uni-bremen.de

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Der Leichtbaukongress in Bremen steht dieses Mal für einen branchenübergreifenden Technologiedialog zwischen Automobilindustrie und ziviler Luftfahrt. Die Regionen Bremen und Niedersachen bieten hierfür einen exzellenten Rahmen, um Leichtbau im Kontext globaler Wettbewerbsfähigkeit zu diskutieren.

Zahlreiche Experten aus der Industrie, Wissenschaft und Forschung bringen sich mit aktuellen Projekten ein. Der rote Faden des Programms reicht von der Diskussion über ganzheitliche Leichtbau-Konzepte über die Idee bis hin zur Fertigung und über ungenutzte Potenziale neben einem kritischen Diskurs über Sekundäreffekte sowie durch Industrie 4.0 und additive Fertigungsverfahren sich verändernde Randbedingungen.

Zusätzlich zum Vortragsprogramm sind Führungen bei Airbus, Mercedes Benz und ein Campusrundgang geplant mit Einblicken in verschiedene Forschungseinrichtungen. Am 7. Juli findet die 5. VDI-Fachkonferenz „Fügen im Automobilbau“ statt.

Unterstützer des Kongresses sind die Bremer Wirtschaftsförderung, das IFAM, EcoMaT, IWT, Sensorial Materials Scientific Centre, MAPEX und die Leichtbau BW GmbH. Kongressleiter ist Dipl.-Ing. Heinrich Timm, langjähriger Leiter des Audi Leichtbauzentrums, heute Vorstand beim CCeV. Fachliche Träger sind die VDI-Gesellschaften Fahrzeug- und Verkehrstechnik (FVT) und Materials Engineering (GME).

Interessenten können sich bis Mitte Januar spätestens mit einem Beitrag bewerben. Das vollständige Kongress-Programm ist ab März 2016 online abrufbar unter www.vdi.de/leichtbau  Das Programm der Fügetechnik-Konferenz finden Sie unter www.vdi.de/fuegetechnik  

Kontakt VDI Wissensforum GmbH: Anne Bieler-Bultmann M.A., Projektleiterin, Tel.: +49 211 62 14 225, Mail: bieler-bultmann@vdi.de

Veranstaltungsort: Hotel Atlantic Universum

associated with MAPEX Research Highlight 04-2016:

Decrease of the required dopant concentration for δ-Bi2O3 crystal stabilization through thermal quenching during single-step flame spray pyrolysis

Authors:

Jochen A. H. Dreyer, Suman Pokhrel, Johannes Birkenstock, Miguel G. Hevia, Marco Schowalter, Andreas Rosenauer, Atsushi Urakawa, Wey Yang Teoh and Lutz Mädler.  

Journal:

CrystEngComm(2016) 18, 2046-2056.

Best Poster Award für Partikel-Design „made in Bremen“

Nun erhielten die Bremer Wissenschaftler für die Präsentation ihrer Ergebnisse bei der weltweit führenden Konferenz für Partikeltechnologie „PARTEC“ in Nürnberg den ersten Platz für das beste wissenschaftliche Poster. „Wir freuen uns sehr, dass unsere Ergebnisse auch auf internationaler Ebene anerkannt werden und zum weltweiten Diskurs über die Gesundheitsgefahren von Nanopartikeln beitragen“, sagt Professor Lutz Mädler. Er ist Mitautor der Studie, Leiter des Fachgebiets Mechanische Verfahrenstechnik der Universität Bremen und Direktor der Hauptabteilung Verfahrenstechnik der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) Bremen. „Die PARTEC, die aller drei Jahre stattfindet, ist der zentrale Treffpunkt der Partikeltechnologen. Da unsere Ergebnisse dort Beachtung finden, sind wir zuversichtlich, dass sie in Zukunft auch in der produzierenden Industrie umgesetzt werden“, sagt  Suman Pokhrel, federführender Post-Doc der ausgezeichneten Studie.

CEIN und Uni Bremen: Eine starke Kooperation

Vor seiner Berufung an die Universität Bremen war Lutz Mädler an der University of California, Los Angeles (UCLA) beschäftigt und dort an der Gründung des CEIN beteiligt. Mit seinem Umzug nach Deutschland brachte er das Kooperationsprojekt mit an die Bremer Uni. Insgesamt sind am CEIN 13 Universitäten aus den USA, Europa und Asien mit 85 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern beteiligt. Das Großprojekt ist vergleichbar mit einem deutschen Sonderforschungsbereich. Es hat das Ziel herauszufinden, wie Nanopartikel mit der Umwelt interagieren und so Risiken für Mensch, Tier und Umwelt zu bewerten und zu vermeiden. Der Beitrag von Mädlers Team liegt dabei auf der Herstellung von Nanopartikeln, die in einer Art Bibliothek gesammelt werden und als Untersuchungsgegenstand für die anderen Partner dienen. Zudem besteht durch das in Bremen weiterentwickelte Verfahren der Flammensprühpyrolyse die einzigartige Möglichkeit, Nanopartikel so zu designen, dass negative Auswirkungen auf Organismen verhindert werden können. Im Rahmen der CEIN-Kooperation wurden seit 2008 bereits über 700 wissenschaftliche Veröffentlichungen publiziert. Zudem engagieren sich die Forschenden im Diskurs mit Politik und Industrie, um ihre Ergebnisse publik zu machen. Gefördert wird CEIN von der amerikanischen National Science Foundation (vergleichbar mit der Deutschen Forschungsgemeinschaft) und der amerikanischen Umweltbehörde.


Weitere Informationen:

Universität Bremen
Fachbereich Produktionstechnik, Fachgebiet Mechanische Verfahrenstechnik
Prof.Dr.-Ing. Lutz Mädler
Tel.:0421/218-51200
E-Mail: lmaedler@iwt.uni-bremen.de

Ph. D. Suman Pokhrel
Tel.:0421/218-51218
E-Mail: spokhrel@iwt.uni-bremen.de

Isabell Harder
Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: 0421/218-51188
E-Mail: harder@iwt.uni-bremen.de

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associated with MAPEX Research Highlight 10-2015:

Tetrahedral Tetraphosphonic Acids. New Building Blocks in Supramolecular Chemistry

Authors:

Alexandra Schütrumpf, Erdoğan Kirpi, Aysun Bulut, Flavien L. Morel, Marco Ranocchiari,
Enno Lork, Yunus Zorlu, Simon Grabowsky, Gündoğ Yücesan, and Jens Beckmann

Journal:

ACS Crystal Growth and Design (2015) 15, 4925-4931.

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MAPEX NEWSletter Archive >

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) stattet sechs Universitäten in Deutschland mit neuartigen Röntgenmikroskopen aus – mit dabei ist Bremen. Die Bremer Materialwissenschaften haben sich in der Großgeräteinitiative, für die die DFG 13,4 Millionen Euro zur Verfügung stellt, unter 19 Mitbewerbern erfolgreich behauptet. „Wir konnten das mit international renommierten Expertinnen und Experten besetzte Gutachterteam von der hohen Qualität unserer materialwissenschaftlichen Forschung überzeugen“, freut sich Professor Lucio Colombi Ciacchi, Sprecher des MAPEX Center for Materials and Processes der Universität Bremen. Im MAPEX kooperieren die natur- und ingenieurwissenschaftlichen Fachbereiche der Universität Bremen sowie der außeruniversitären Forschungseinrichtungen im Bereich der Materialwissenschaften – einer von sechs Wissenschaftsschwerpunkte der Uni Bremen. „Dass der DFG-Hauptausschuss der Uni Bremen die Anschaffung eines Großgeräts bewilligt, zeigt erneut, dass gerade die engen Kooperationsbeziehungen zwischen Universität und außeruniversitären Forschungsinstituten eine große Stärke des Wissenschaftsstandortes Bremen darstellen“, ergänzt Professor Andreas Breiter, Konrektor für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs.

Die neuen Röntgenmikroskope sind im Labormaßstab erst seit Kurzem auf dem Markt. Das Besondere: Sie liefern eine hohe Auflösung im Submikrometerbereich und ermöglichen, automatisiert und mit hohem Probendurchsatz das Gefüge und die chemische Beschaffenheit von Materialien und Werkstoffen zu analysieren. Die Entwicklung neuartiger Materialien bei gleichzeitiger Optimierung der Synthese- und Fertigungsprozesse erfordert ein tiefes Verständnis mikrostruktureller Details. Dazu gehören beispielsweise Korngrößenverteilung, Oberflächenstrukturen, Phasenzusammensetzung etwa an Grenzflächen, Verteilung von Poren, Hohlräumen oder Mikrorissen.

Die Bremer Materialforschung konzentriert sich auf Materialien aus den Bereichen Metall, Keramik, Hybrid- und Nanomaterialien sowie Halbleitern. Mit Hilfe des neuen Röntgenmikroskops wollen die Bremer Forscher dreidimensionale Mikrostrukturen abbilden sowie simultan die chemischen Zusammensetzungen erfassen. Das Ziel der Grundlagenforschung: Neue Wege für die parallele Entwicklung von Materialien und Prozessen eröffnen.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
MAPEX Center for Materials and Processes
Prof.Dr.-Ing. Lucio Colombi Ciacchi
Tel: 0421-218-64570
E-Mail: colombi@hmi.uni-bremen.de

Link zur original Pressemitteilung der Universität Bremen

Link zur Pressemitteilung der DFG

associated with MAPEX Research Highlight 01-2016:

Thermodynamically consistent continuum dislocation dynamics

Authors:

Thomas Hochrainer

Journal:

Journal of the Mechanics and Physics of Solids (2016) 88, 12-22.

Zu Gast beim MAPEX

An der Universität Bremen sind sie Gast des MAPEX Center for Materials and Processes, einem Netzwerk von Wissenschaftlern innerhalb des Forschungsschwerpunktes Materialwissenschaften und ihre Technologien. Darin kooperieren die mathematisch-, natur- und ingenieurwissenschaftlichen Fachbereiche der Universität Bremen mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen und zahlreichen internationalen Partnern.

Die Gäste werden in Gruppen sechs verschiedene Einrichtungen aus dem MAPEX-Verbund besuchen und ihre Erkenntnisse auf Postern zusammenstellen, die dann in einer Schlussrunde präsentiert und diskutiert werden.

Das innovative Potential von Stahl lernen sie auf einer geführten Tour durch die Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) kennen. Im Labor für Mikrozerspanung (LFM) erfahren die Gäste Details über Ultrapräzisionsmaschinen, die Metalloberflächen mit einer spiegelartigen Oberfläche erzeugen, indem sie Diamant als Schneidstoff mit Nanometer - Genauigkeit bewegen. „Wie baut man ein Flugzeug aus Plastik?“ ist die Fragestellung im Faserinstitut Bremen (FIBRE). Neue Stoffe mit exzellenten mechanischen Eigenschaften und wenig Gewicht werden dort erprobt. Die Effekte von Laserstrahlen auf die Eigenschaften von Material und ihr Verhalten werden den Schülern im „bias“, dem Bremer Institut für angewandte Strahltechnik, vorgestellt. Das Team „Bremergy“, dem 70 Studierende der Universität Bremen angehören, stellt jedes Jahr einen neuen Rennwagen her. Unterstützt werden sie dabei von 50 Unternehmen. Es geht um den Einsatz von Aluminium, Stahl, Titan und Karbon bis an seine Höchstgrenzen. Studierende stellen den Gästen in einem Workshop vor, wie sie ihr theoretisches Wissen mit Spaß in der Praxis anwenden. Beim Besuch im IMSAS, dem Institut für Mikrosensoren, -aktoren und –systeme, lernen die Schülerinnen und Schüler Laboratorien und Werkstätten zur Produktion von Sensoren kennen.

Siehe auch Pressemitteilung der Universität Bremen hier

associated with MAPEX Research Highlight 09-2015:

Nature Nanotechnology: Tuning emergent magnetism in a Hund's impurity

Authors:

A. A. Khajetoorians, M. Valentyuk, M. Steinbrecher, T. Schlenk, A. Shick, J. Kolorenc, A. I. Lichtenstein, T. O. Wehling, R. Wiesendanger and J. Wiebe.

Journal:

Nature Nanotechnology (2015) 10, 958–964.

Als Teilnehmerin des mehrtägigen Wissenschaftscampus erhalten Sie tiefe Einblicke in die Forschungsarbeit sowie wertvolle Angebote zur Stärkung Ihrer persönlichen und fachlichen Kompetenzen. Sie erfahren mehr über Ihre eigene Kreativität und Ihre Stärken und wie Sie diese in der anwendungsorientierten Forschung nutzen können. In ausgewählten Seminaren, Workshops und Vorträgen knüpfen Sie zudem Kontakte für Ihre zukünftige Karriere. Wenn Sie eine führende Position in Wissenschaft und Forschung anstreben, ist diese Veranstaltung genau das Richtige für Sie.

Wir laden Sie herzlich dazu ein, sich für unseren Wissenschaftscampus anzumelden.

Die mehrtägige Veranstaltung richtet sich ausschließlich an Absolventinnen und Studentinnen ab dem vierten Fachsemester der Studienrichtungen Mathematik, Ingenieurwissenschaften, Naturwissenschaften und Informatik.

Veranstalter ist die Fraunhofer-Gesellschaft vertreten durch ihre Institute an den jeweiligen Standorten. Bitte melden Sie sich frühzeitig an, da die Plätze begrenzt sind.

Anmeldung/Vormerkung:

www.fraunhofer.de/wissenschaftscampus

Kontakt:

Michael Vogel
Fraunhofer-Gesellschaft
Hansastraße 27 c
80686 München
Telefon +49 89 1205-2150
michael.vogel@zv.fraunhofer.de

Carlesso et al., Journal of the American Ceramic Society 93, 710-718 (2013)

Kristallographie — das ist mehr als die Erforschung von Glitzersteinchen unter der Lupe: Diese Wissenschaft beschäftigt sich mit dem atomaren Aufbau und den sich daraus ergebenden Eigenschaften von Materialien, seien es moderne Nano-Materialien, pulverförmige Verbindungen der chemischen oder pharmazeutischen Industrie, keramische oder metallische Werkstoffe. Die Erkenntnisse werden beispielsweise in Solarzellen oder Computerchips angewandt. Entgegen des deutschen Trends, das interdisziplinäre Fach Kristallographie auf Grund von Sparzwängen der Universitäten immer weiter abzubauen, belegt die Neugründung des Instituts für Anorganische Chemie und Kristallographie an der Universität Bremen die starke Entwicklung der Kristallographie und der Materialwissenschaften in Bremen.

Institutseröffnung mit Vortrag am 11. Januar

Das Institut wird am 11. Januar 2016 um 17 Uhr im Gebäude NW2 (Hörsaal C0300, Loebener Straße) eröffnet. Professor Peter Luger (Freie Universität Berlin) wird zu diesem Anlass ein modernes Gebiet der Kristallographie vorstellen: Das Sichtbarmachen von Elektronen in chemischen Verbindungen durch Röntgenbeugung an Einkristallen. Mit der Kenntnis von der Lage und Ausdehnung der Elektronen können verbesserte Methoden der Strukturaufklärung entwickelt werden, was wiederum Einfluss auf Biologie, Chemie und Materialwissenschaften hat. Interessierte sind zur Eröffnung herzlich eingeladen.

Fünf Standorte in Bremen und Berlin

Mit der kristallographischen Arbeitsgruppe von Professor Reinhard X. Fischer im Fachbereich Geowissenschaften und den Professoren Jens Beckmann (Metallorganische Chemie), Thorsten M. Gesing (Chemische Kristallographie fester Stoffe) und Simon Grabowsky (Quantenkristallographie) im neu gegründeten Institut im Fachbereich Biologie/Chemie sowie drei Arbeitsgruppen an der Freien Universität Berlin verfügt Bremen über fünf forschungsstarke Standorte. Gestützt durch eine Heisenberg-Professur und eine Emmy-Noether-Gruppe, beide gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), zeichnet sich das Institut neben der Spitzenforschung im Bereich der Materialsynthese und -charakterisierung durch sein Engagement in der Nachwuchsförderung und der Lehre aus. Neben mehr als zwanzig Doktorandinnen und Doktoranden habilitieren sich derzeit drei Nachwuchsforscher. Zudem bietet die Universität Bremen den internationalen Master „Materials Chemistry and Mineralogy“ an, der von beiden kristallographischen Bereichen getragen wird.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Prof. Dr. Jens Beckmann
Tel.: 0421/218-63160
E-Mail: j.beckmann@uni-bremen.de

Link zur original Pressemitteilung

Hildebrand et al., Journal of Physical Chemistry C, 119, 7295-7307 (2015)

Meyer et al., Materialwissenschaft und Werkstofftechnik45, 642-651 (2014)

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The database lists analytic infrastructure available in the groups of MAPEX members. The database is growing every day, if you want your equipement in there, just return the registration form.

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„Die Ernennung ist eine große Ehre für mich und ein sehr schöner Erfolg für die Universität Bremen – wer hätte vor 20 Jahren gedacht, dass einmal ein Präsident der Internationalen Akademie für Produktionstechnik aus Bremen kommt“, sagt Ekkard Brinksmeier. Glückwünsche kamen umgehend von der Unileitung. „Schon die starke Präsenz von Bremer Forschern in dieser weltweit hoch geachteten Akademie bestätigt die Exzellenz der Bremer Forschung auch auf dem Gebiet der Produktionstechnik. Dass nun sogar der CIRP-Präsident aus unseren Reihen kommt, ist eine ganz besondere Auszeichnung“, freut sich Bernd Scholz-Reiter, Rektor der Universität Bremen. Das kommende Jahr werde für ihn sehr arbeitsreich, sagt Professor Brinksmeier, schließlich sei sein Engagement in der CIRP ehrenamtlich. „Aber ich habe hier in Bremen und in der CIRP-Zentrale in Paris tolle Teams, die mich unterstützen und mir den Rücken freihalten!“

Brinksmeier ist Professor im Fachgebiet Fertigungsverfahren und Direktor der Hauptabteilung Fertigungstechnik in der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT Bremen). Er gilt als hochangesehener Wissenschaftler im Bereich der Produktionstechnik und hat bereits zahlreiche Auszeichnungen wie den „Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis“ der DFG erhalten. Zudem ist er Gründungsmitglied und erster Fellow der European Society For Precision Engineering and Nanotechnology (euspen). Mitglied der CIRP ist Brinksmeier seit 1991. Seitdem engagierte er sich in verschiedenen Gremien der Akademie, u. a. im „Council“, das den Vorstand berät, im „Nomination Committee“, das über die Neuaufnahme von Mitgliedern berät und im „Editorial Committee“, das die Herausgeberschaft der renommierten CIRP-Annals kontrolliert.

Neben seinem internationalen Engagement setzt sich Brinksmeier auch für die Lehre vor Ort ein: Die Bremer Studierenden zeichneten Ihn 2009 mit dem „Berninghausen-Preis für hervorragende Lehre“ aus. Die CIRP besteht seit 1950 und ist ein internationaler Zusammenschluss von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus dem Fachgebiet der Produktionstechnik. Die Anzahl der Mitglieder – vom Jungwissenschaftler bis zum Fellow – ist begrenzt auf etwa 550 Personen aus 41 Ländern. Deutschland darf maximal 20 Fellows stellen, von denen aktuell vier von der Universität Bremen kommen. In der über 60-jährigen CIRP-Geschichte stellte Deutschland bisher acht Mal den Präsidenten – zuletzt im Jahr 2007 mit Professor Fritz Klocke (RWTH Aachen).

Weitere Informationen:

Universität Bremen
Fachbereich Produktionstechnik, Fachgebiet Fertigungsverfahren
Isabell Harder M. A. (Wissenschaftskommunikation)
Tel.:0421 218 511 88
E-Mail: harder@iwt-bremen.de

Zum ganzen Artikel gelangen Sie hier.

Materialwissenschaften und ihre Technologien ist einer der sechs Wissenschaftsschwerpunkte der Universität Bremen. Um diesen Schwerpunkt zu stärken, wurde im Zuge der Exzellenzinitiative 2014 das MAPEX Center for Materials and Processes an der Universität Bremen gegründet. Am Montag, 11. Mai 2015, werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Zentrum und die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekte in einer Auftaktveranstaltung vorstellen. Sie findet im BITZ, dem Bremer Innovations- und Technologiezentrum, Fahrenheitstraße 1, statt. Als Gastredner konnte Professor Wolfgang Peukert, Koordinator des Exzellenzclusters „Engineering of Advanced Materials" an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen, gewonnen werden.

Ziele des MAPEX Center for Materials and Processes:

Hinter MAPEX verbergen sich die Begriffe „Material, Process, Excellence“. Ziel ist es, Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler interdisziplinär zusammenzubringen, die im weit gefächerten Gebiet der Materialwissenschaften, der Werkstofftechnik und der Werkstoffverarbeitung forschen und arbeiten. An der Universität Bremen sind die Fachbereiche Produktionstechnik, Mathematik/Informatik, Biologie/Chemie, Physik/Elektrotechnik und Geowissenschaften beteiligt. Ziele des Kompetenznetzwerks sind neben der Erhöhung der internationalen Sichtbarkeit der MAPEX- Forschungslandkarte im Allgemeinen die gegenseitige Unterstützung bei der Beantragung und Durchführung von kooperativen Drittmittelprojekten. Insbesondere sollen Nachwuchs-wissenschaftlerinnen und -wissenschaftler gefördert werden. Weitere Schwerpunkte sind die Unterstützung der interdisziplinären Doktorandenausbildung und die gemeinsame Beschaffung und Verwendung von wissenschaftlicher Infrastruktur.

Programm der Auftaktveranstaltung am 11. Mai 2015

Kurosch Rezwan, Konrektor für Forschung und wissenschaftlichen Nachwuchs der Universität Bremen, wird um 8.30 Uhr das Grußwort sprechen. Anschließend stellt Professor Lucio Colombi Ciacchi, Sprecher des Zentrums, dessen Struktur und Aufgaben vor. Es schließen sich 20-minütige Kurzvorträge an, die die Vielfalt der Thematik verdeutlichen. Sie reichen vom Lasereinsatz in der Umformtechnik über Hochleistungszerspanung bis zur Herstellung funktionaler Feststoffpartikel in Sprühverfahren.

Weitere Informationen:

Universität Bremen
MAPEX Center for Materials and Processes
Dr. Hanna Lührs
Scientific Manager
Tel.: 0421 218 64580
E-Mail: hanna.luehrs@uni-bremen.de

IUCrJ 13 (2026): 282–290 

https://doi.org/10.1107/S2052252526002782

Understanding structure at the atomic scale is fundamental for understanding the functioning and the development of materials with improved properties. Compared with other probes providing atomic resolution, electrons offer the strongest interaction in combination with minimal radiation damage, which makes them an ideal tool for investigating very small and radiation-sensitive samples [Henderson (1995), Q. Rev. Biophys. 28, 171–193]. However, these benefits are often offset by the laborious preparation of nanometre-sized samples that are not visible using a light microscope, and the fact that experiments are largely restricted to ultra-high vacuum [Duyvesteyn et al. (2018), Proc. Natl Acad. Sci. USA 115, 9569–9573; Gruene et al. (2021), Nat. Rev. Chem. 5, 660–668]. Here, we report the successful implementation of MeV electron diffraction for ab initio 3D structure determination of the quasi-2D material muscovite and the quantum material 1T-TaS2 at atomic resolution. By employing ultrashort electron pulses from the REGAE (Relativistic electron gun for atomic exploration) accelerator, we obtained high-quality diffraction datasets suitable for structural refinements based on dynamical scattering theory, enabling precise localization of even hydrogen atoms. The increased penetration depth of MeV electrons significantly expands the applicable thickness range of samples, overcoming previous restrictions associated with traditional electron diffraction. These findings establish MeVelectron diffraction as a viable approach for investigating a broad range of materials, including nanostructures and radiation-sensitive compounds, and open up new opportunities for in situ and time-resolved experiments [Chao et al. (2023), Chem. Rev. 123, 8347–8394; Filippetto et al. (2022), Rev. Mod. Phys. 94, 045004].

Microporous and Mesoporous Materials 398 (2025): 113832

https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2025.113832

The recent synthetic accessibility of aluminosilicate and all-silica zeolites with extremely large pore sizes opens new opportunities in materials science. Beyond their catalytic applications, these novel materials uniquely enable the adsorption of very large molecules—a capability previously unrealized with conventional zeolites due to pore size restrictions, which consequently hindered adsorption studies of such compounds. This work explores new use cases for these materials by investigating the adsorption of various antibiotics, with molar masses up to 900 g/mol, in hydrophobic extra-large pore zeolites. We highlight the significant potential of these advanced zeolites for critical applications, like the removal of antibiotics from wastewater and the development of novel drug delivery systems. Employing classical forcefield-based simulations, we explain the main molecular structure-topology relationships that govern the formation of strongly interacting combinations between specific antibiotics and extra-large pore zeolite frameworks.

 © 2025 The Authors. Published by Elsevier Inc.

npj Microgravity 11 (2025): 1-9

https://doi.org/10.1038/s41526-025-00521-9

The long-term goal of establishing a sustained human presence on Mars requires the capacity to produce essential consumables on-site. To this end, we develop strategies for processing inorganic oxidic powders and biomass into highly particle-filled composites using direct ink writing (DIW) 3D printing. Our approach relies on a simulant of a Martian regolith unit rich in hydrated clay minerals and food-grade spirulina, used as proxies for local regolith and cyanobacterial biomass, respectively. The composites are further reinforced through crosslinking with the plant-based molecule genipin. Detailed rheological analysis was performed for the 3D printing feedstocks, while the printed composites were characterized using thermal gravimetric analysis (TGA), surface area porosity analysis (BET), microscopy and mechanical tests. Dissolution tests demonstrated that genipin effectively crosslinks the cyanobacterial biomass. The outcome is a highly porous, lightweight material with adaptable, complex morphology, which has significant potential for use in the resource-constrained environments of long-duration Mars missions.

 © 2025 The Author(s)

Nature Chemistry  (2025): 1-7

https://doi.org/10.1038/s41557-025-01890-0

Since the early days of space exploration, the efficient production of oxygen and hydrogen via water electrolysis has been a central task for regenerative life-support systems. Water electrolysers are, however, challenged by the near-absence of buoyancy in microgravity, resulting in hindered gas bubble detachment from electrodes and diminished electrolysis efficiencies. Here we show that a commercial neodymium magnet enhances water electrolysis with current density improvements of up to 240% in microgravity by exploiting the magnetic polarization of the electrolyte and the magnetohydrodynamic force. We demonstrate that these interactions enhance gas bubble detachment and displacement through magnetic convection and achieve passive gas–liquid phase separation. Two model magnetoelectrolytic cells, a proton-exchange membrane electrolyser and a magnetohydrodynamic drive, were designed to leverage these forces and produce oxygen and hydrogen at near-terrestrial efficiencies in microgravity. Overall, this work highlights achievable, lightweight, low-maintenance and energy-efficient phase separation and electrolyser technologies to support future human spaceflight architectures

 © 2025 Attribution 4.0 International ( CC BY 4.0 )

Bioresource Technology 427 (2025): 132383

https://doi.org/10.1016/j.biortech.2025.132383

A sustained presence on Mars requires the production of food on site, but farming is limited by the local availability of suitable nutrients. Cyanobacteria can feed on Martian resources, and we hypothesized that the nutrients they mobilize could be extracted through anaerobic digestion and used as crop fertilizer.We therefore tested the abilities of three microbial communities to digest the biomass of Anabaena sp. in minimal medium, 200 g L^-1 Mars regolith simulant (MGS-1), and water.All communities produced ammonium and removed organic carbon in all media, especially in minimal medium and 200 g L^-1 MGS-1. However, MGS-1 also adsorbed organics and reduced the phosphate and ammonium recovery efficiency. A taxonomic analysis revealed a syntrophic fermentative community and hydrogenotrophic methanogens in minimal medium, but methanogens were outcompeted in MGS-1 by sulfate-reducing bacteria.Overall, this study suggests the viability of a bioprocess which could support crop production from Martian resources.

 © 2025, Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Journal of Power Sources 640 (2025): 236630

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2025.236630

The interplay between bubble release dynamics and surface wettability profoundly influences the performance of water dissociation systems; a topic not well understood. To systematically study the effect of electrode geometry and wettability, we have employed additive manufacturing to fabricate textured 316L-stainless steel electrodes composed of well-arranged pillars with different geometries and hydrophilicity. Through combined experimental and simulation approaches using bubbly flow models, we demonstrate that geometrically-induced wettability significantly affects hydrogen bubble dynamics, transitioning from gas-filled to liquid-filled states, and modulates bubble growth and detachment mechanisms. It is shown that the kinetics of bubble release and the surface coverage on hemispherical-topped pillars can finely be tuned to reduce the transport overpotential by 68.8 % and to increase the Faradaic efficiency (FE) by 191.5 % at −300 mA cm⁻² relative to untextured electrodes. These findings delineate a pragmatic approach toward the design of textured electrodes for efficient gas-evolving reactions.

 © 2025 Elsevier B.V. All rights are reserved

Materials Today Communications 46 (2025): 112734

https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2025.112734

Through adaption of the process parameters during additive manufacturing, the microstructure of Ti-6Al-4V parts can be tailored through in-situ heat treatment and post processes. The influence of the energy input, described by the line and the volume energy density as well as the influence of the laser power on microstructural features and the resulting fundamental mechanical properties is shown. Higher energy inputs and laser power leading to higher β-phase contents up to 7.4 vol.-% in as-built state and a very fine bimodal to fully lamellar microstructure combining high strength of 1183 MPa with a high ductility of 11.4 % but a low impact toughness of 118 kJ m^-2. Beyond this, hot-isostatic pressing is applied as a secondary heat treatment step, to close low-density defects and tune the properties even further. By adapting the energy inputs during additive manufacturing, the final volume content of precipitation-hardened β-phase and α-morphology can be controlled by adjusting the initial as-built mircostrucutre and the oversaturation of the phases due to in-situ heat treatment of the laser additive manufacturing process. This leads to an increase of the material strength of 11 % to 1095 MPa in combination with an elongation of 12 % and a high impact toughness of 348 kJ m^-2. This shows the potential of additive manufacturing as a preliminary heat treatment step for hot-isostatic pressing, allowing defect-free locally adjusted microstructures, which could combine high strength, ductility and toughness.

 © 2025 The Author(s). Published by Elsevier Ltd.

Nature Physics  (2025): 1-7

https://doi.org/10.1038/s41567-025-02889-7

Floquet engineering—the coherent dressing of matter via time-periodic perturbations—is a mechanism to realize and control emergent phases in materials out of equilibrium. However, its applicability to metallic quantum materials and semimetals such as graphene is an open question. The report of light-induced anomalous Hall effect in graphene remains debated, and a time-resolved photoemission experiment has suggested that Floquet effects might not be realizable in graphene and other semimetals with relatively short decoherence times. Here we provide direct spectroscopic evidence of Floquet effects in graphene through electronic structure measurements. We observe light–matter-dressed Dirac bands by measuring the contribution of Floquet sidebands, Volkov sidebands and their quantum path interference to graphene’s photoemission spectrum. Our results demonstrate that Floquet engineering in graphene is possible, even though ultrafast decoherence processes occur on the timescale of a few tens of femtoseconds. Our approach offers a way to experimentally realize Floquet engineering strategies in metallic and semimetallic systems and for the coherent stabilization of light-induced states with potentially non-trivial topological properties.

 © 2025 The Author(s)

Nature Communications 16(2025): 3209

https://doi.org/10.1038/s41467-025-58402-4

Structural disorder can be used to tune the properties of functional materials and is an important tool that can be employed for the development of complex framework materials, such as metal-organic frameworks. Here we show the synthesis and structural characterization of a metal-organic framework, UoB-100(Dy). Average structure refinements indicate that the node is disordered between two orientations of the nonanuclear secondary building unit (SBU). By performing 3D diffuse scattering (DS) analysis and Monte Carlo (MC) simulations, we confirm the presence of strong correlations between the metal clusters of UoB-100(Dy). These nodes assemble into a complex nanodomain structure. Quantum mechanical calculations identify linker strain as the driving force behind the nanodomain structure. The implications of such a nanodomain structure for the magnetic, gas storage, and mechanical properties of lanthanide MOFs are discussed.

 © 2025 The Author(s)

Advanced Energy and Sustainability (2025): 2400448

https://doi.org/10.1002/aesr.202400448

Lithium-ion batteries (LIBs) are indispensable in modern electronic instruments and electric vehicles because of their high energy density and long cycle life. However, the performance of traditional LIBs is constrained by limited theoretical specific capacities and structural stabilities, failing to meet the demands of next-generation high-performance applications. Transition metal sulfides are emerging as promising electrode materials due to their low cost, high theoretical capacities, and superior intrinsic properties. Compared to oxides, metal sulfides exhibit enhanced electrical conductivity, faster ion diffusion, and multi-electron transfer capabilities, which collectively enable higher energy density, better rate performance, and improved cycling stability. Flame spray pyrolysis (FSP) offers a scalable, cost-effective method for synthesizing functional structured electrode materials. This one-step process facilitates precise control over particle composition, and morphology, enabling complex modifications such as doping, homogeneous mixing, coating, and noble metal promotion/functionalization. FSP also produces metastable nanoparticle phases and allows direct deposition of materials onto electrodes without binders or solvents, streamlining electrode fabrication. The integration of FSP synthesis with electrode production in a continuous process chain holds immense potential for large-scale manufacturing of LIB electrodes. This approach is anticipated to revolutionize energy storage technologies, addressing the challenges of cost, performance, and scalability.

 © 2025, Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Small (2025): 2409993

https://doi.org/10.1002/smll.202409993

The objective of this study is to investigate the influence of various process parameters, such as the fuel-to-oxygen ratio, precursor flow rate, co-flow rate, and different metal-to-sulfur ratios on the properties of metal sulfide particles synthesized via flame spray pyrolysis (FSP). The particle size increases with increasing dispersion oxygen flow and copper sulfide is obtained only when the fuel-to-oxygen ratio is equal to or higher than 1.5. The temperature of the flame rises with an increasing precursor flow rate and copper sulfide is formed at a precursor flow rate of 5 mL min⁻¹ or lower, while contamination occurs above 5 mL min⁻¹. A Co-flow rate above 100 L min⁻¹ is required to cool the aerosol stream before deposition on the filter. A pure copper sulfide phase is produced when sulfur is more than 5 times in molar ratio compared to Cu in the liquid solution and particle size decreases with increasing sulfur concentration. This research will contribute to a better understanding of the fundamental formation process of metal sulfides under oxygen-lean gas-phase conditions and serve as a milestone in optimizing synthesis parameters for various applications.

 © 2025 Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

The Journal of Physical Chemistry C 129 (2025): 4383-4397

https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5c00220

This study establishes a theoretical framework to elucidate the impact of gas bubble evolution dynamics on the reaction overpotentials in electrolytic hydrogen and oxygen production. By distinguishing between ohmic, activation, and concentration overpotentials, we formulate governing equations to determine the influence of gas bubble growth and detachment on each overpotential component. Additionally, we employ SHapley Additive exPlanations (SHAP) analysis to interpret the patterns identified by a regression neural network trained on our analytical equations. Our findings indicate that gas bubble evolution dynamics impact reaction overpotentials to different degrees, leading to divergent escalation rates and requiring targeted improvement strategies. We therefore systematically investigate the impact of key parameters influencing the gas bubble evolution dynamics such as the electrode surface wettability, the electrolyte concentration and the temperature on mitigating reaction overpotentials. Measures, such as enhancing the electrode hydrophilicity from 90 to 160°, reduces the activation and concentration overpotentials by up to 54.0% and 79.3%, respectively. Moreover, by increasing the electrolyte molarity from 0.5 to 1 M, ohmic and concentration overpotentials can be reduced by 47.1% and 72.1%, respectively, with diminishing performance returns beyond 2 M. Higher temperatures result in mild to moderate decreases across all overpotential components by improving electrolyte conductivity and mass transfer. In summary, this analysis provides valuable insights not only for optimizing electrolytic hydrogen and oxygen production devices, but it also offers the opportunity to transfer gained insights into other gas-evolving electrochemical systems and supports their optimization toward higher energy conversion efficiencies.

 © 2025 The Authors. Published by American Chemical Society

Acta Materialia 283 (2025): 120488

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120488

Additively manufactured components are generally heat treated to remove the undesired microstructure formed during the repeated heating-cooling cycles inherent to the process, known as intrinsic heat treatment (IHT). Recently, the IHT has been explored as a driving force for precipitation hardening in steels which can potentially shorten the manufacturing chain of AM components. However, the mechanisms behind the formation of secondary phase precipitates during the complex thermal history remains unclear. In this work, a combination of in situ high energy X-ray diffraction, atom probe tomography, scanning and transmission electron microscopy were used to reveal the precipitation sequence in an X40CrMoV5–1 tool steel during laser-directed energy deposition (L-DED). V-rich MCN and V₈CN₇ carbonitrides, as well as, Fe-Cr-rich M₃C and M₇C₃ carbides were formed at different stages of the L-DED. Their evolution and resulting chemical stoichiometry was correlated to the exact phase transformation occurring in the microstructure during the IHT over different regions along the built direction. Finally, the combined results from the in situ and ex situ experiments enabled us to retrace the history of the full microstructure during the L-DED process. The findings lead to the conclusion that secondary hardening effect in tool steel is, as expected, sensitive to the severity of the IHT, and if limited, can result in a tempered microstructure comparable to the ones conventionally obtained after tempering heat treatments.

 © 2025 The Author(s). Published by Elsevier Ltd on behalf of Acta Materialia Inc.

IUCrJ 11 (2024): 977-990

https://doi.org/10.1107/S2052252524009722

Regolith draws intensive research attention because of its importance as the basis for fabricating materials for future human space exploration. Martian regolith is predicted to consist of defect-rich crystal structures due to long-term space weathering. The present report focuses on the structural differences between defect-rich and defect-poor forsterite (Mg₂SiO₄) – one of the major phases in Martian regolith. In this work, forsterites were synthesized using reverse strike co-precipitation and high-energy ball milling (BM). Subsequent post-processing was also carried out using BM to enhance the defects. The crystal structures of the samples were characterized by X-ray powder diffraction and total scattering using Cu and synchrotron radiation followed by Rietveld refinement and pair distribution function (PDF) analysis, respectively. The structural models were deduced by density functional theory assisted PDF refinements, describing both long-range and short-range order caused by defects. The Raman spectral features of the synthetic forsterites complement the ab initio simulation for an in-depth understanding of the associated structural defects.

 © 2024 Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Advanced Electronic Materials (2024): 2400481

https://doi.org/10.1002/aelm.202400481

Artificial Neural Networks (ANN) require a better platform to reduce their energy consumption and achieve their full potential. Electrochemical devices like the Electrochemical Neuromorphic Organic Device (ENODe) stand out as a potential building block for ANNs, due to their lower energy demand, in addition to their biocompatibility and access to multiple and stable memory levels. However, the non-volatile effect observed in these devices is not yet fully understood. Hence, here we propose a 2D drift-diffusion model that is capable to reproduce the device behavior. The model relies on the assumption of trapping sites for cations, which are increasingly filled or emptied during subsequent pre-synaptic pulses. The model is verified by experiments on devices with varying post-synaptic dimensions. Overall, the results provide a framework to discuss ENODe operation and design strategies for ENODes with well-controlled memory states.

© 2024 The Author(s). Advanced Electronic Materials published by Wiley-VCH GmbH

Journal of the American Ceramic Society (2024): e20170

https://doi.org/10.1111/jace.20170

We report on temperature-dependent structural and spectroscopic properties of two new members of the mullite-type ceramics SnAlBO₄ and SnGaBO₄. In-situ X-ray powder diffraction (XRPD) demonstrates positive thermal expansion behavior for all orthorhombic lattice parameters between 13 and 840 K. The lattice thermal expansion is modeled by Grüneisen first-order approximation, where the vibrational energy is calculated by the Debye–Einstein–anharmonicity (DEA) approach. Although the thermal changes of the metric parameters do not show any discontinuity, the double-Debye model and low-temperature thermal analysis leave hints for subtle displacive changes. Splitting of the tin-doublets of the ¹¹⁹Sn Mössbauer spectra at low temperature is assumed to be associated with structural modulation although the temperature-dependent Raman spectra could not support these findings. The modulation could either be dynamic which requires much longer thermal equilibration than the speed of the data collection for XRPD and Raman spectroscopy. Selective Raman mode frequencies are analyzed using a modified Klemens model, which helps to understand the thermal anharmonic behaviors of the SnO₄, MO₆, and BO₃ polyhedra as a function of temperature.

© 2024 The Author(s). Journal of the American Ceramic Society published by Wiley Periodicals LLC on behalf of American Ceramic Society

Macromolecular Rapid Communications (2024): 2400557

https://doi.org/10.1002/marc.202400557

Bisfunctional benzoxazine and polyether diamine-based polymers show Arrhenius-like stress-relaxation varying with stoichiometry and polymerization temperatures proving vitrimeric behavior. Molecular structural investigations reveal the presence of different aminoalkylated phenols occurring at varying ratios depending on polymer composition and polymerization conditions. The vitrimeric mechanism is found to involve an amine exchange reaction of aminoalkylated phenols in an equilibrium reaction like a nucleophilic substitution reaction. As determined by molecular studies and dissolution experiments in reactive solvents, aliphatic and aromatic primary as well as aliphatic secondary amines in the polybenzoxazine structure can act as nucleophiles in reaction with electrophilic methylene bridges. Thus, aminoalkylated phenols proved to be a relevant structural motif resulting in a vitrimeric polybenzoxazine due to amine exchange reaction.

© 2024 The Author(s). Macromolecular Rapid Communications published by Wiley-VCH GmbH

Advanced Functional Materials 35 (2024)

doi: https://doi.org/10.1002/adfm.202411521

The innovative development of reactive-spray systems for gas-phaseproduction of metal sulfides are potential materials for next-generationtechnologies. These flame-synthesized sulfides (doped, functionalized, andheterogeneously mixed derivatives) hold significant potential as photocatalystsfor water splitting. The knowledge acquired from nonaqueous precursor-solvent and high-temperature aerosol chemistries, optimal process parametersare established to generate In 2-(4/3)x Snx S3 , solid-solutions. The thermally drivenreducing gas-phase reactions are controlled through fuel/oxygen ratio. Particlescharacterizations (X-ray diffraction, transmission electron microscopy (TEM)and imaging) revealed structural stability and crystallinity. The In2-(4/3)x Snx S3 ,at higher Sn doping had enhanced photoexcitation. Donor-acceptor levelswithin the material facilitated electron-hole pair trapping, crucial for redoxreactions. With suitable band gap energies for water oxidation (1.9-1.1 eV)closely matched flat band potentials (4.38-4.67 eV) for redox reactions. Thepowder characterization showed 8% In 2 O3 in InSn0.75 S3 after photocatalysisdue to S-degradation in the initial light “on/off cycles”. The pioneeringprocess of employing oxygen-deficient reducing flame enabled a seriesof photo-catalytically active metal sulfide nanoparticles with work functionenergies in the range of 5.19-5.37 eV. This synthesis strategy holds the potentialfor impactful advancements in both industry and R&D, addressing the urgentneed for new materials capable of inducing water oxidation under visible light.

© 2024 The Author(s). Advanced Functional Materials published by Wiley-VCH GmbH

ACS Omega 9 (2024): 41480-41490

Doi: https://doi.org/10.1021/acsomega.4c05019

Silica aerogels are highly porous materials with unique properties such as high specific surface area, high thermal insulation, and high open porosity. These characteristics make them attractive for several applications in closed microfluidic channels such as BioMEMS, catalysis, and thermal insulation. However, aerogel-filled microchannels have not been reported in the literature yet because of the complexity of creating a process that controls the integration, shrinkage, and mechanical stability of these materials inside a closed channel. In this work, a process is presented to integrate aerogels in microchannels with reproducibility, mechanical stability, and no shrinkage. This protocol is based on the filling of channels during the gelation, which is crucial to avoid shrinkage, CO₂ supercritical drying, and mechanical additives (polyethylene glycol and carbon nanotubes). Furthermore, the influence of polyethylene glycol and carbon nanotubes on the compressive strength, porosity, and specific surface area is investigated. Following the suggested process protocol, the integration of different aerogel compositions (with and without reinforcement) is successfully achieved in the microchannels without shrinkage and cracks. This research opens up new possibilities for the use of different aerogels in microfluidics with structural integrity and enhanced functionality.

© 2024 The Authors. Published by American Chemical Society

Journal of Environmental Chemical Engineering  12  (2024) : 113071

doi: https://doi.org/10.1016/j.jece.2024.113071

Integrating microbial electrolysis cells (MEC) with anaerobic digestion (AD) would offer different synergistic advantages to these technologies. The MEC bioanode could be immersed in the AD reactor, stabilizing the process, or operated as an independent cell, further removing organic matter. However, up to now, bioanodes operated in anaerobic digestion conditions present low current production and tend to deactivate over time. In the present work, we conducted a comparison of six carbon-based and metal-based electrode materials, including novel options such as stainless steel wool (SSW) and carbon nanofibers (ES300), never tested before under these conditions. The electrodes were evaluated using two inoculation procedures, operating simultaneously in the same electrolyte with different feeding media. The bioanodes produced double the current densities when fed with undigested corn silage compared to anaerobic digester effluent, showing the potential for direct integration into anaerobic digesters without pre-fermentation. Unprecedented stable current densities, up to 0.4 mA cm−2, were obtained over 60 days of operation in real anaerobic digestion conditions by Geobacter-dominated bioanodes on SSW and ES300, outperforming state-of-the-art bioanodes and avoiding the dramatic deactivation previously reported. Microbial community analysis of SSW and ES300 elucidated how the microbial composition in the bioanodes was mostly depending on the electrode material, rather than the inoculation procedure. The results achieved with these bioanodes pave the way for scaling up and commercializing integrated AD-MEC systems.

 © 2024 The Authors ( CC BY 4.0 )

Science 385 (2024): 318-321

doi:  10.1126/science.adp4963

Nitrenes are a highly reactive, yet fundamental, compound class. They possess a monovalent nitrogen atom and usually a short life span, typically in the nanosecond range. Here, we report on the synthesis of a stable nitrene by photolysis of the arylazide M ^S FluindN ₃  ( 1 ), which gave rise to the quantitative formation of the arylnitrene M ^S FluindN ( 2 ) (M ^S Fluind is dispiro[fluorene-9 ,3′-(1′,1′,7′,7′-tetramethyl-s-hydrindacen-4′-yl)-5′,9′′-fluorene]) that remains unchanged for at least 3 days when stored under argon atmosphere at room temperature. The extraordinary life span permitted the full characterization of  2  by single-crystal x-ray crystallography, electron paramagnetic resonance spectroscopy, and superconducting quantum interference device magnetometry, which supports a triplet ground state. Theoretical simulations suggest that in addition to the kinetic stabilization conferred by the bulky M ^S Fluind aryl substituent, electron delocalization across the central aromatic ring contributes to the electron stabilization of  2 .

© 2024, The Authors and American Association for the Advancement of Science

Scientific Reports 35 (2024): 16491

doi:  10.1038/s41598-024-67030-9

Separation and classification are important operations in particle technology, but they are still limited in terms of suspended particles in the micrometer and nanometer size-range. Electrical fields can be beneficial for sorting such particles according to material properties. A mechanism based on strong and inhomogeneous fields is dielectrophoresis (DEP). It can be used to separate microparticles according to their material properties, such as conductivity and permittivity, by selectively trapping one particle type while the other can pass the separator. Conventional DEP separators show either a limitation in throughput or frequency bandwidth. A low throughput limits the economical feasibility in many cases. A lower frequency bandwidth limits the variety of materials that can be sorted by DEP. To separate semiconducting particles from a mixture containing particles with higher conductivity according to their material, high frequencies are required. Possible applications are the separation of semiconducting and metallic carbon nanotubes or the separation of carbon-coated lithium iron phosphate particles from graphite in the recycling process of spent lithium-ion batteries. In this publication, we aim to display how to tune the electrical impedance of a high-throughput DEP separator based on custom-designed printed circuit boards to increase its frequency bandwidth. By adding inductors to the electrical circuit, we were able to increase the frequency bandwidth from 500 kHz to over 11 MHz. The experiments in this study act as proof-of-principle. Furthermore, a non-deterministic way to increase the impedance of the setup is shown, yielding a maximum frequency of 39.16 MHz.

© 2024, The Author(s)

2D Materials  11 (2024): 025031

doi:  https://doi.org/ 10.1088/2053-1583/ad3134

MoS₂  and WS₂  mono- and multilayers were grown on SiO₂ /Si substrates. Growth by atomic layer deposition (ALD) at fast growth rates is compared to sub-ALD, which is a slow growth rate process with only partial precursor surface coverage per cycle. A Raman spectroscopic analysis of the intensity and frequency difference of the modes reveals different stages of growth from partial to full surface layer coverage followed by layer-by-layer formation. The initial layer thickness and structural quality strongly depend on the growth rate and monolayers only form using sub-ALD. Optical activity is demonstrated by photoluminescence (PL) characterization which shows typical excitonic emission from MoS₂  and WS₂  monolayers. A chemical analysis confirming the stoichiometry of MoS₂  is performed by x-ray photoelectron spectroscopy. The surface morphology of layers grown with different growth rates is studied by atomic force microscopy. Plan-view transmission electron microscopy analysis of MoS₂  directly grown on freestanding graphene reveals the local crystalline quality of the layers, in agreement with Raman and PL results.

 © 2024 IOP Publishing Ltd.

Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science 14  (2024): e1708

doi:  https://doi.org/10.1002/wcms.1708

The field of liquid-phase and solid-state high-pressure chemistry has exploded since the advent of the diamond anvil cell, an experimental technique that allows the application of pressures up to several hundred gigapascals. To complement high-pressure experiments, a large number of computational tools have been developed. These techniques enable the simulation of chemical systems, their sizes ranging from single atoms to infinitely large crystals, under high pressure, and the calculation of the resulting structural, electronic, and spectroscopic changes. At the most fundamental level, computational methods using carefully tailored wall potentials allow the analytical calculation of energies and electronic properties of compressed atoms. Molecules and molecular clusters can be compressed either via mechanochemical approaches or via more sophisticated computational protocols using implicit or explicit solvation approaches, typically in combination with density functional theory, thus allowing the simulation of pressure-induced chemical reactions. Crystals and other periodic systems can also be routinely simulated under pressure, both statically and dynamically, to predict the changes of crystallographic data under pressure and high-pressure crystal structure transitions. In this review, the theoretical foundations of the available computational tools for simulating high-pressure chemistry are introduced and example applications demonstrating the strengths and weaknesses of each approach are discussed. This article is categorized under: Structure and Mechanism > Computational Materials Science Electronic Structure Theory > Ab Initio Electronic Structure Methods Software > Simulation Methods.

 © 2024 The Authors 

Scientific Reports 14 (2024): 8559

https://doi.org/10.1038/s41598-024-59027-1

The interaction of rarefied gases with functionalized surfaces is of great importance in technical applications such as gas separation membranes and catalysis. To investigate the influence of functionalization and rarefaction on gas flow rate in a defined geometry, pressure-driven gas flow experiments with helium and carbon dioxide through plain and alkyl-functionalized microchannels are performed. The experiments cover Knudsen numbers from 0.01 to 200 and therefore the slip flow regime up to free molecular flow. To minimize the experimental uncertainty which is prevalent in micro flow experiments, a methodology is developed to make optimal use of the measurement data. The results are compared to an analysis-based hydraulic closure model (ACM) predicting rarefied gas flow in straight channels and to numerical solutions of the linearized S-model and BGK kinetic equations. The experimental data shows that if there is a difference between plain and functionalized channels, it is likely obscured by experimental uncertainty. This stands in contrast to previous measurements in smaller geometries and demonstrates that the surface-to-volume ratio of 0.4 μμm⁻¹ seems to be too small for the functionalization to have a strong influence and highlights the importance of geometric scale for surface effects. These results also shed light on the molecular reflection characteristics described by the TMAC.

 © 2024 Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Cell  187 (2024): 11296-1311.e26

doi:   https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.01.034

Most membrane proteins are modified by covalent addition of complex sugars through N- and O-glycosylation. Unlike proteins, glycans do not typically adopt specific secondary structures and remain very mobile, shielding potentially large fractions of protein surface. High glycan conformational freedom hinders complete structural elucidation of glycoproteins. Computer simulations may be used to model glycosylated proteins but require hundreds of thousands of computing hours on supercomputers, thus limiting routine use. Here, we describe GlycoSHIELD, a reductionist method that can be implemented on personal computers to graft realistic ensembles of glycan conformers onto static protein structures in minutes. Using molecular dynamics simulation, small-angle X-ray scattering, cryoelectron microscopy, and mass spectrometry, we show that this open-access toolkit provides enhanced models of glycoprotein structures. Focusing on N-cadherin, human coronavirus spike proteins, and gamma-aminobutyric acid receptors, we show that GlycoSHIELD can shed light on the impact of glycans on the conformation and activity of complex glycoproteins.

 © 2024 Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Additive Manufacturing  80  (2024): 103988

doi: https://doi.org/ 10.1016/j.addma.2024.103988

Smart alloying enables local modification of the chemical composition of metallic components within additive manufacturing processes. In the example of laser based powder bed fusion (PBF-LB/M), this new technology uses suspensions to place alloying elements precisely at every requested point of the printed area. It allows a tailor-made change of the local microstructure and properties. High chromium-containing stainless steel and carbon as the alloying element serves as a demonstration example. Microprobe and EBSD analyses confirm a locally increasing carbon content, which leads to the formation of fine martensitic structures with chromium-rich carbides at the grain boundaries of the ferritic base material. The associated change in microstructure regarding grain size and phase composition results in modified mechanical properties. Indentation tests carried out show a corresponding locally increased indentation hardness. This decisive influence of even individual alloying elements paves a new way for functional grading of metallic components in additive manufacturing.

 © 2024 The Authors ( CC BY 4.0 )

Advanced Functional Materials   34  (2023): 2303324

doi:  https://doi.org/10.1002/adfm.202303324

The gradual channel approximation forms the foundation for the analysis of field-effect transistors. It has been used to discuss transistors that are not necessarily based on the field effect as well, such as the organic electrochemical transistor (OECT). Here, the applicability of the gradual channel approximation for OECTs is studied by a 2D drift-diffusion model. It is found that OECT switching can be described by two separate effects—a doping/dedoping mechanism and the formation of an electrostatic double layer at the interface between the mixed conductor and the electrolyte. The balance between these two mechanisms is determined by the morphology of the mixed conductor, in particular the question whether ions move in the same phase and electric potential as the holes, or if separate ion and hole phases are formed. It is argued that the gradual channel approximation can only be used to describe electrostatic switching at the mixed conductor/electrolyte interface (the two-phase model), but cannot be employed to analyze devices operating on a doping/de-doping mechanism (the one -phase model). 

© 2024 The Authors. 

Materials and Design  237 (2024): 112603

doi:  https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.112603

Knowledge representation in the Materials Science and Engineering (MSE) domain is a vast and multi-faceted challenge: Overlap, ambiguity, and inconsistency in terminology are common. Invariant (consistent) and variant (context-specific) knowledge are difficult to align cross-domain. Generic top-level semantic terminology often is too abstract, while MSE domain terminology often is too specific. In this paper, an approach how to maintain a comprehensive MSE-centric terminology composing a mid-level ontology–the Platform MaterialDigital Core Ontology (PMDco)–via MSE community-based curation procedures is presented. The illustrated findings show how the PMDco bridges semantic gaps between high-level, MSE-specific, and other science domain semantics. Additionally, it demonstrates how the PMDco lowers development and integration thresholds. Moreover, the research highlights how to fuel it with real-world data sources ranging from manually conducted experiments and simulations with continuously automated industrial applications.

 © The Authors ( CC BY 4.0 )

Electrochemical Acta 473  (2024): 143473

doi: https://doi.org/ 10.1016/j.electacta.2023.143473

The electron-transfer reaction is of pivotal importance not only in electrochemistry, but also in other scientific disciplines, such as catalysis, biochemistry and biology. The kinetics of such reactions have been thoroughly investigated under ideal conditions (Butler and Volmer or Marcus theories) considering the Frumkin effects; However, the electron transfer in concentrated electrolytes still lacks a general theory. Here we discuss the effect of the concentration of the supporting electrolyte (an inert salt) on the kinetics of three redox couples with different nominal charge: hexaammineruthenium, ferricyanide and ferrocenemethanol. The redox couples are diluted but the supporting electrolyte concentration is high enough that significant deviations of the formal electrode potential from the ideality are observed; the kinetics are also altered. We propose a model in which the electrostatic interactions are described as a complexation between the redox active species and the counter-ions of the supporting electrolyte, in analogy with the treatment of the ion pairs. The model correctly fits the dependence of the formal potential and of the charge transfer resistance on the concentration, thus suggesting that the ion-transfer accompanying an electron-transfer plays a significant role in the overall reaction kinetics. This finding enables a more realistic description of the complex electron-transfer reactions occurring in electrocatalysis and catalysis, bioelectrochemistry and biochemistry, and electrochemical energy storage.

© 2023 The Author(s)

Nature Communications 14 (2023)

doi: 10.1038/s41467-023-41934-y

Structure-property relationships in ordered materials have long been a core principle in materials design. However, the introduction of disorder into materials provides structural flexibility and thus access to material properties that are not attainable in conventional, ordered materials. To understand disorder-property relationships, the disorder – ie, the local ordering principles – must be quantified. Local order can be probed experimentally by diffuse scattering. The analysis is notoriously difficult, especially if only powder samples are available. Here, we combine the advantages of three-dimensional electron diffraction – a method that allows single crystal diffraction measurements on sub-micron sized crystals – and three-dimensional difference pair distribution function analysis (3D-ΔPDF) to address this problem. In this work, we compare the 3D-ΔPDF from electron diffraction data with those obtained from neutron and x-ray experiments of yttria-stabilized zirconia (Zr _0.82 Y _0.18 O _1.91 ) and demonstrate the reliability of the proposed approach.

 © 2023 The Author(s) ( CC BY 4.0 )

Physics 16(2023)

doi: https://physics.aps.org/articles/v16/151

A new set of equations captures the dynamical interplay of electrons and vibrations in crystals and forms a basis for computational studies.

Although a crystal is a highly ordered structure, it is never at rest: its atoms are constantly vibrating about their equilibrium positions—even down to zero temperature. Such vibrations are called phonons, and their interaction with the electrons that hold the crystal together is partly responsible for the crystal’s optical properties, its ability to conduct heat or electricity, and even its vanishing electrical resistance if it is superconducting. Predicting, or at least understanding, such properties requires an accurate description of the interplay of electrons and phonons. This task is formidable given that the electronic problem alone—assuming that the atomic nuclei stand still—is already challenging and lacks an exact solution. Now, based on a long series of earlier milestones, Gianluca Stefanucci of the Tor Vergata University of Rome and colleagues have made an important step toward a complete theory of electrons and phonons.

At a low level of theory, the electron–phonon problem is easily formulated. First, one considers an arrangement of massive point charges representing electrons and atomic nuclei. Second, one lets these charges evolve under Coulomb’s law and the Schrödinger equation, possibly introducing some perturbation from time to time. The mathematical representation of the energy of such a system, consisting of kinetic and interaction terms, is the system’s Hamiltonian. However, knowing the exact theory is not enough because the corresponding equations are only formally simple. In practice, they are far too complex—not least owing to the huge number of particles involved—so that approximations are needed. Hence, at a high level, a workable theory should provide the means to make reasonable approximations yielding equations that can be solved on today’s computers.

One way to reduce the complexity of the problem is to step back from the picture of individual particles in favor of one of effective quasiparticles specific to the system at hand. An early example of a quasiparticle in the literature is the phonon: instead of focusing on the atomic nuclei that could, in principle, be located anywhere in space, one considers their collective vibration about their positions in a predefined crystal structure. Scientists have studied such “elastic waves” for almost a century [2], often resorting to two famous approximations: the Born-Oppenheimer approximation, which assumes that the electrons respond instantaneously to displacements of the nuclei; and the harmonic approximation, which posits that this response results in restoring forces proportional to the displacements.

Stefanucci and colleagues’ work builds on studies made in the middle of the last century that analyzed the interaction between quasiparticles by borrowing tools from quantum field theory. In 1961, Gordon Baym published a corresponding theory of electrons and phonons, in which the phonon field assigns a displacement to points in space and time [3]. One of the aforementioned tools is the technique of Feynman diagrams, which represent interaction processes graphically (Fig. 1) and can be translated into mathematical formulas through simple rules. By combining such diagrams into sets of equations that recursively depend on each other, one can account for all possible processes occurring in physical reality. In 1965, Lars Hedin presented examples of such equations, which completely describe systems of interacting electrons [4]. In a 2017 review, Feliciano Giustino merged these approaches and coined the term Hedin-Baym equations in the context of state-of-the-art materials simulations—answering many, but not all, open questions [5].

Stefanucci and colleagues have addressed several of the remaining issues [1]. First, they imposed requirements on the electron–phonon Hamiltonian, avoiding the mistake of trying to solve a problem not properly formulated in the first place. They emphasized that the equilibrium state around which the theory is built is not known in advance, making setting up and evaluating the Hamiltonian an iterative procedure. They also stressed that this Hamiltonian cannot generally be written in terms of physical phonons, contrary to what is often supposed. Second, the team generalized Giustino’s work [5] to systems driven out of equilibrium at any temperature—a key advance because this scenario reflects experimental and technological conditions. Mathematically, this generalization allows time to take on complex values. Third, the researchers carefully derived the corresponding rules for Feynman diagrams and provided the first complete set of diagrammatic Hedin-Baym equations. Such equations form the basis of systematic approximations, in which certain diagrams are neglected, and provide a criterion [3] for the resulting dynamics to respect fundamental conservation laws. Whereas the effects of electrons on phonons and vice versa are well studied separately [5], here it is crucial that both occur simultaneously.

Nowadays, parameter-free simulations of electrons and phonons rely heavily on so-called density-functional perturbation theory [6], which is based on the Born-Oppenheimer and harmonic approximations. By contrast, diagrammatic techniques are often—but not always [7]—used in combination with parameterized model Hamiltonians. Efforts to bring both approaches together have led to so-called downfolding methods, which already exist for the electron–phonon problem [8]. The insights gained by Stefanucci and colleagues will certainly help to further bridge the different strategies. Moreover, the advancements beyond thermal equilibrium will be of utmost importance because such an extension is needed to explain the latest time-resolved spectroscopy experiments and to design better photovoltaics. Finally, given that the team’s results apply to any fermion–boson system, such as an interacting light–matter system, many fields will benefit from this seminal work.

Chemical Science 14(2023)

doi: https://doi.org/10.1039/D3SC02202A

The most advanced structure prediction methods are powerless in exploring the conformational ensemble of disordered peptides and proteins and for this reason the “protein folding problem” remains unsolved. We present a novel methodology that enables the accurate prediction of spectroscopic fingerprints (circular dichroism, infrared, Raman, and Raman optical activity), and by this allows for “tidying up” the conformational ensembles of disordered peptides and disordered regions in proteins. This concept is elaborated for and applied to a dodecapeptide, whose spectroscopic fingerprint is measured and theoretically predicted by means of enhanced-sampling molecular dynamics coupled with quantum mechanical calculations. Following this approach, we demonstrate that peptides lacking a clear propensity for ordered secondary-structure motifs are not randomly, but only conditionally disordered. This means that their conformational landscape, or phase-space, can be well represented by a basis-set of conformers including about 10 to 100 structures. The implications of this finding have profound consequences both for the interpretation of experimental electronic and vibrational spectral features of peptides in solution and for the theoretical prediction of these features using accurate and computationally expensive techniques. The here-derived methods and conclusions are expected to fundamentally impact the rationalization of so-far elusive structure–spectra relationships for disordered peptides and proteins, towards improved and versatile structure prediction methods.

© 2023 The Author(s). Published by the Royal Society of Chemistry

Advanced Materials 35 (2023), 2208220

doi: 10.1002/adma.202208220

Determination of crystal structures of nanocrystalline or amorphous compounds is a great challenge in solid-state chemistry and physics. Pair distribution function (PDF) analysis of X-ray or neutron total scattering data has proven to be a key element in tackling this challenge. However, in most cases, a reliable structural motif is needed as a starting configuration for structure refinements. Here, an algorithm that is able to determine the crystal structure of an unknown compound by means of an on-the-fly trained machine learning model, which combines density functional theory calculations with comparison of calculated and measured PDFs for global optimization in an artificial landscape, is presented. Due to the nature of this landscape, even metastable configurations and stacking disorders can be identified. © 2023 The Authors. Advanced Materials published by Wiley-VCH GmbH.

© 2023 The Authors. Advanced Materials published by Wiley-VCH Gmb

Nature Chemistry 15 (2023), 848 - 855

doi: 10.1038/s41557-023-01186-1

Continuous-rotation 3D electron diffraction methods are increasingly popular for the structure analysis of very small organic molecular crystals and crystalline inorganic materials. Dynamical diffraction effects cause non-linear deviations from kinematical intensities that present issues in structure analysis. Here, a method for structure analysis of continuous-rotation 3D electron diffraction data is presented that takes multiple scattering effects into account. Dynamical and kinematical refinements of 12 compounds—ranging from small organic compounds to metal–organic frameworks to inorganic materials—are compared, for which the new approach yields significantly improved models in terms of accuracy and reliability with up to fourfold reduction of the noise level in difference Fourier maps. The intrinsic sensitivity of dynamical diffraction to the absolute structure is also used to assign the handedness of 58 crystals of 9 different chiral compounds, showing that 3D electron diffraction is a reliable tool for the routine determination of absolute structures.

© 2023, The Author(s).

Advanced Materials Interfaces 10 (2023)

doi: 10.1002/admi.202300207

This work presents porous zirconia-toughened alumina ceramics functionalized with Au@Pd/Au@Pt core–shell nanoparticle (NP) for in situ monitoring of catalytic reactions via surface-enhanced Raman scattering (SERS) which is augmented by the open cell foam structure of the ceramic support. In this respect, the porous ceramic enables efficient light trapping and propagation onto the coated surface, which provides good accessibility of the catalyst, while the core–shell particles are equipped with a catalytically active shell and a plasmonic core which enables SERS sensing. The metallic hybrid core–shell NPs are synthesized by the Au-seed mediated method and colloidally deposited onto the open porous ceramic matrix prepared via the polymer replica method. The Au@Pt NP functionalized porous ceramic show a Raman enhancement factor up to 10⁶, which is significantly higher than that of non-porous samples. In situ reaction monitoring via SERS is demonstrated by the Pt-catalyzed reduction of 4-nitrothiophenol to 4-aminothiophenol, showing high specificity for analysis of reactants and products. This multifunctional material concept featuring ceramics-augmented SERS and catalytic activity could be extended beyond real-time, sensitive reaction monitoring toward high temperature reactions, photothermal catalysis, bioprocessing and -sensing, green energy conversion, and related applications.

© 2023 The Authors. Advanced Materials Interfaces published by Wiley-VCH GmbH.

Rapid Prototyping Journal 29 (2023)

doi: 10.1108/RPJ-06-2022-0181

Purpose: This study aims at compensating for sintering deformation of components manufactured by metal binder jetting (MBJ) technology. Design/methodology/approach: In the present research, numerical simulations are used to predict sintering deformation. Subsequently, an algorithm is developed to counteract the deformations, and the compensated deformations are morphed into a CAD model for printing. Several test cases are designed, compensated and manufactured to evaluate the accuracy of the compensation calculations. A consistent accuracy measurement method is developed for both green and sintered parts. The final sintered parts are compared with the desired final shape, and the accuracy of the model is discussed. Furthermore, the effect of initial assumptions in the calculations, including green part densities, and green part dimensions on the final dimensional accuracy are studied. Findings: The proposed computational framework can compensate for the sintering deformations with acceptable accuracy, especially in the directions, for which the used material model has been calibrated. The precise assumption of green part density values is important for the accuracy of compensation calculations. For achieving tighter dimensional accuracy, green part dimensions should be incorporated into the computational framework. Originality/value: Several studies have already predicted sintering deformations using numerical methods for MBJ parts. However, very little research has been dedicated to the compensation of sintering deformations with numerical simulations, and to the best of the best of the authors' knowledge, no previous work has studied the effect of green part properties on dimensional accuracy of compensation calculations. This paper introduces a method to omit or minimize the trial-and-error experiments and leads to the manufacturing of dimensionally accurate geometries.

© 2022, Emerald Publishing Limited.

Advanced Materials  35 (2023), 2211104 

doi: 10.1002/adma.202211104

The development of a novel reactive spray technology based on the well-known gas-phase metal oxide synthesis route provides innumerable opportunities for the production of non-oxide nanoparticles. Among these materials, metal sulfides are expected to have a high impact, especially in the development of electrochemical and photochemical high-surface-area materials. As a proof-of-principle, MnS, CoS, Cu₂S, ZnS, Ag₂S, In₂S₃, SnS, and Bi₂S₃ are synthesized in an O₂-lean and sulfur-rich environment. In addition, the formation of Cu₂S in a single-droplet combustion experiment is reported. The multiscale approach combining flame sprays with single-droplet combustion is expected to pave the way toward a fundamental understanding of the gas-phase formation of metal sulfides in the future. The knowledge acquired can open the possibility for the development of a next-generation gas-phase technology facilitating the scalable synthesis of functional binary/ternary metal sulfides.

© 2023 The Authors. Advanced Materials published by Wiley-VCH GmbH.

Materials Characterization 199 (2023), 112812

doi: https://doi.org/10.1016/j.matchar.2023.112812

The investigation of Li containing materials is of crucial importance for a number of material applications, including aerospace engineering. The aluminum alloy (AA) 2050, containing 2.7–5.0 at.% of Li, exhibits a lower density as well as excellent mechanical properties, due to the variety of phases that can form, including metastable ones. The high chemical composition sensitivity and near-atomic spatial resolution in three-dimensions of atom probe tomography make it a powerful technique to accurately assess solute partitioning and phase composition in particular at structural defects such as dislocations and grain boundaries. However, Li quantification is not straightforward due to its fast diffusion. Here, specimen preparation and Li electric field driven migration during atom probe analysis are investigated separately to better address the challenges associated with the experimental investigation of Li content in Li containing Al-alloys. We demonstrate a striking effect of Ga on Li distribution, which turns out to be significantly more critical than the electric field induced migration of Li during the atom probe tomography analysis.

© 2023 Published by Elsevier Inc.

Materials and Design, 227 (2023), 111745

doi: 10.1016/j.matdes.2023.111745

Acoustic emission (AE) is a well-established technique for in-situ damage analysis of composite materials. The main challenge, however, is to be able to correlate the measured AE signals with their respective damage mechanism sources. Hence, an innovative approach to classify AE signals based on supervised machine learning is presented in this work. At first, the constituents of a composite (fiber, matrix and interface) are characterized separately and fingerprint information regarding the characteristic AE features of each damage mechanism is gathered. This dataset is then used to train a model based on the k-nearest neighbors algorithm. Model accuracy is calculated to be 88%. Subsequently, AE signals measured during tensile tests of commercial composites are classified by the trained model. The analysis provides important information regarding location, time, frequency and intensity of each damage mechanism. Matrix cracking and fiber debonding are the most frequent damage mechanisms representing around 40% and 20% of the measured AE hits. Nevertheless, fiber breakage is the mechanism that dissipates the most AE energy (40%) for the studied composite. Furthermore, the presented method can also be applied together with other techniques like computer tomography, delivering a powerful approach to understand different multi-phase materials.

 © 2023 Attribution 4.0 International (CC BY 4.0)

Particle and Particle Systems Characterization 40 (2023)

doi: https://doi.org/10.1002/ppsc.202300048

Hetero-contacts are interfaces between different materials at the nanoscale leading to novel functional properties. In hetero-aggregates, primary particles of at least two different materials are mixed at primary particle or cluster level. Double flame spray pyrolysis (DFSP) is a versatile technique for the controlled synthesis of such materials. Characterization of hetero-aggregates by scanning transmission electron microscopy (STEM) requires acquisition and evaluation of many aggregate images in order to derive statistically significant results. Usually, STEM energy dispersive X-ray spectroscopy (EDXS) is used to acquire elemental maps providing the material distribution of the primary particles within hetero-aggregates. However, the acquisition of a single EDXS map takes up to several minutes. For this reason, determination of material types of primary particles from the intensity in high-angle annular dark field STEM images alone is desirable. These images can be acquired within a couple of seconds. In the present work, a method is suggested which allows for achieving this objective. It can be applied to distinguish materials with a significant difference in their atomic number and hence sufficient material contrast in the STEM images.

© 2023 The Authors. Particle & Particle Systems Characterization published by Wiley-VCH GmbH.

Science Advances 8 (2022)

doi: 10.1126/sciadv.abp9561

The breakup of drops and bubbles in turbulent fluids is a key mechanism in many environmental and engineering processes. Even in the well-studied dilute case, quantitative descriptions of drop fragmentation remain elusive, and empirical models continue to proliferate. We here investigate drop breakup by leveraging a novel computer code, which enables the generation of ensembles of experiments with thousands of independent, fully resolved simulations. We show that in homogeneous isotropic turbulence breakup is a memoryless process whose rate depends only on the Weber number. A simple model based on the computed breakup rates can accurately predict experimental measurements and demonstrates that dilute emulsions evolve through a continuous fragmentation process with exponentially increasing time scales. Our results suggest a nonvanishing breakup rate below the critical Kolmogorov-Hinze diameter, challenging the current paradigm of inertial drop fragmentation.

© 2022 The Authors.

Chemical Reviews 123 (2023), 6716 - 6792 

doi: 10.1021/acs.chemrev.2c00751

Nanoporous gold (NPG) is characterized by a bicontinuous network of nanometer-sized metallic struts and interconnected pores formed spontaneously by oxidative dissolution of the less noble element from gold alloys. The resulting material exhibits decent catalytic activity for low-temperature, aerobic total as well as partial oxidation reactions, the oxidative coupling of methanol to methyl formate being the prototypical example. This review not only provides a critical discussion of ways to tune the morphology and composition of this material and its implication for catalysis and electrocatalysis, but will also exemplarily review the current mechanistic understanding of the partial oxidation of methanol using information from quantum chemical studies, model studies on single-crystal surfaces, gas phase catalysis, aerobic liquid phase oxidation, and electrocatalysis. In this respect, a particular focus will be on mechanistic aspects not well understood, yet. Apart from the mechanistic aspects of catalysis, best practice examples with respect to material preparation and characterization will be discussed. These can improve the reproducibility of the materials property such as the catalytic activity and selectivity as well as the scope of reactions being identified as the main challenges for a broader application of NPG in target-oriented organic synthesis.

© 2023 American Chemical Society. All rights reserved.

RSC Advances, 13 (2023), 15805 - 15809

doi: 10.1039/d3ra02988c

Diazocines are azobenzene derived macrocyclic photoswitches with well resolved photostationary states for the (E)- and (Z)-isomers, which improves their addressability by light. In this work, effective procedures for the stannylation and borylation of diazocines in different positions are reported. Their use in Stille cross-coupling and Suzuki cross-coupling reactions with organic bromides is demonstrated in yields of 47-94% (Stille cross-coupling) and 0-95% (Suzuki cross-coupling), respectively.

© 2023 The Royal Society of Chemistry.

Life Sciences in Space Research 36 (2023), 86 - 89 

doi: https://doi.org/10.1016/j.lssr.2022.08.009

The Moon and Mars Base Analog (MaMBA) is a concept for an extraterrestrial habitat developed at the Center of Applied Space Technology and Microgravity (ZARM) in Bremen, Germany. The long-term goal of the associated project is to create a technologically functioning prototype for a base on the Moon and on Mars. One key aspect of developing such a prototype base is the integration of a bioregenerative life support system (BLSS) and its testing under realistic conditions. A long-duration mission to Mars, in particular, will require BLSS with a reliability that can hardly be reached without extensive testing, starting well in advance of the mission. Standards exist for comparing the capabilities of various BLSS, which strongly focus on technological aspects. These, we argue, should be complemented with the use of facilities that enable investigations and optimization of BLSS prototypes with regard to their requirements on logistics, training, recovery from failure and contamination, and other constraints imposed when humans are in the loop. Such facilities, however, are lacking. The purpose of this paper is to present the MaMBA facility and its potential usages that may help close this gap. We describe how a BLSS (or parts of a BLSS) can be integrated into the current existing mock-up at the ZARM for relatively low-cost investigations of human factors affecting the BLSS. The MaMBA facility is available through collaborations as a test platform for characterizing, benchmarking, and testing BLSS under nominal and off-nominal conditions.

© 2022 The Committee on Space Research (COSPAR)

Acta Astronautica Article 210 (2023) ,162-175

doi:https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2023.05.021, preprint available open access https://arxiv.org/abs/2305.15415

Astronaut crews and ground control support teams are highly interdependent teams that need to communicate effectively to achieve a safe mission - despite being separated by large distances. Team communication quality with its facets clarity of objectives and information flow, is a key coordination process to achieve high team performance and task satisfaction. Especially in interdependent teams working in extreme environments with time-delayed communications, the team's success is threatened if communication is ineffective. In this study, we hypothesized that communication quality affects two key team outcomes, performance and task satisfaction, and that these effects can be explained by increases in workload (effort and frustration). Hypotheses were tested during the AMADEE-20 analog Mars mission hosted by the Austrian Space Forum. The analog astronauts (AA) were supported by an On-Site-Support (OSS) team and a remote Mission-Support-Centre (MSC) team. The MSC was the only contact line for both AA and OSS, and the communication between them had a one-way time delay of 10 min. Our study consisted of three runs in which members across the three different multiteam systems had to exchange information to solve an interdependent task. We measured communication quality, effort and frustration, task satisfaction, and team performance. Results show that clarity of objectives and information flow positively impacted multiteam system performance. Furthermore, clarity of objectives reduced experienced effort and this in turn enhances team performance. High levels of information flow reduced experienced frustration, which in turn enhanced task satisfaction. Our findings show that these facets of communication quality are essential for multiteam systems that work separated from each other by a distance. We stress that specific (team) communication training for astronauts and support personnel will be key to effective teamwork during future Mars missions, and thus to overall mission success.

© 2023 IAA. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

preprint licensed under CC BY-NC-SA 4.0

This publication is a result of the Humans on Mars Initiative.

Materials 16 (2023), 4170

doi: https://doi.org/10.3390/ma16114170, preprint available open access: doi:https://www.preprints.org/manuscript/202304.1169/v1

Once on Mars, maintenance and repair will be crucial for humans as supply chains including Earth andMars will be very complex. Consequently, the raw material available on mars must be processed and used. Factors such as the energy available for material production play just as important a role as the quality of the material that can be produced and the quality of its surface. With the aim of developing and technically implementing a process chain that meets the challenge of producing spare parts from oxygen-reduced Mars regolith, this paper addresses the issue of low-energy handling. Expected statistically distributed high roughnesses of sintered regolith analogs are approximated in this work by parameter variation in the PBF-LB/M process. For low-energy handling, a dry-adhesive microstructure is used. Investigations are carried out to determine the extent to which the rough surface resulting from the manufacturing process can be smoothed by deep rolling in such a way that the microstructure adheres and enables samples to be transported. For the investigated AlSi10Mg samples (12 mm x 12 mm x 10 mm), the surface roughness varies in a wide range from Sa 7.7 µm to Sa 64 µm after the additive manufacturing process, pull-off stresses of up to 6.99 N/cm² could be realized after deep rolling. This represents an increase in pull-off stresses by a factor of 392.94 compared to the pull-off stresses before deep rolling, enabling handling of even larger specimens. It is noteworthy that specimens with roughness values that were previously difficult to handle can be treated post-deep rolling, indicating a potential influence of additional variables that describe roughness or ripples and are associated with the adhesion effect of the microstructure of the dry adhesive.

© The Authors 2023 licensed under CC BY 4.0

This publication is a result of the Humans on Mars Initiative.

Science, 379  (2023), 6630

doi:  10.1126/science.ade5239

When tiles decorated to lower their symmetry are joined together, they can form aperiodic and labyrinthine patterns. Such Truchet tilings offer an efficient mechanism of visual data storage related to that used in barcodes and QR codes. We show that the crystalline metal–organic framework [OZn ₄ ][1,3-benzenedicarboxylate] ₃  (TRUMOF-1) is an atomic-scale realization of a complex three-dimensional Truchet tiling. Its crystal structure consists of a periodically arranged assembly of identical zinc-containing clusters connected uniformly in a well-defined but disordered fashion to give a topologically aperiodic microporous network. We suggest that this unusual structure emerges as a consequence of geometric frustration in the chemical building units from which it is assembled.

 © 2023 Attribution 4.0 International ( CC BY 4.0 )

Philosophical Transactions A  379 (2021) , 2188

doi: 10.1098/rsta.2019.0568

There is strong interest in lunar exploration from governmental space agencies, private companies and the public. NASA is about to send humans to the lunar surface again within the next few years, and ESA has proposed the concept of the Moon Village, with the goal of a sustainable human presence and activity on the lunar surface. Although construction of the infrastructure for this permanent human settlement is envisaged for the end of this decade by many, there is no definite mission plan yet. While this may be unsatisfactory for the impatient, this fact actually carries great potential: this is the optimal time to develop a forward-looking science input and influence mission planning. Based on data from recent missions (SMART-1, Kaguya, Chang’E, Chandrayaan-1 and LRO) as well as simulation campaigns (e.g. ILEWG EuroMoonMars), we provide initial input on how astronomy could be incorporated into a future Moon Village, and how the presence of humans (and robots) on the Moon could help deploy and maintain astronomical hardware.

 This article is part of a discussion meeting issue ‘Astronomy from the Moon: the next decades’.

© 2020 The Author(s) Published by the Royal Society. All rights reserved.

This publication is a result of the Humans on Mars Initiative.

npj Microgravity 8 (2022), 43

https://doi.org/10.1038/s41526-022-00240-5

The sustainability of crewed infrastructures on Mars will depend on their abilities to produce consumables on site. These abilities may be supported by diazotrophic, rock-leaching cyanobacteria: from resources naturally available on Mars, they could feed downstream biological processes and lead to the production of oxygen, food, fuels, structural materials, pharmaceuticals and more. The relevance of such a system will be dictated largely by the efficiency of regolith utilization by cyanobacteria. We therefore describe the growth dynamics of Anabaena sp. PCC 7938 as a function of MGS-1 concentration (a simulant of a widespread type of Martian regolith), of perchlorate concentration, and of their combination. To help devise improvement strategies and predict dynamics in regolith of differing composition, we identify the limiting element in MGS-1 – phosphorus – and its concentration-dependent effect on growth. Finally, we show that, while maintaining cyanobacteria and regolith in a single compartment can make the design of cultivation processes challenging, preventing direct physical contact between cells and grains may reduce growth. Overall, we hope for the knowledge gained here to support both the design of cultivation hardware and the modeling of cyanobacterium growth within.

© The Authors, https://doi.org/10.1038/s41526-022-00240-5  licensed under CC BY 4.0

This publication is a result of the Humans on Mars Initiative.

Material Research Letters 10 (2022),12, 824 

https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2109941

Nanoporous gold as obtained by corrosion of alloys of gold and a less noble metal is a system with manifold applications. The process of dealloying, however, can result in partially porous samples, when dealloying conditions are not optimized with respect to composition and pre-treatment of the master alloy. In the present work, we investigate the dealloying interface between porous material and non-porous alloy in two samples, in which dealloying either stopped automatically or was interrupted manually. Reasons for unintended termination of dealloying in the former case are suggested.

© The Authors,https://doi.org/10.1080/21663831.2022.2109941 licensed under CC BY 4.0

Journal of Catalyst 413 (2022), 1123

https://doi.org/10.1016/j.jcat.2022.08.020

Since the first studies reporting on its surprising catalytic properties, nanoporous gold (npAu) has emerged as a novel and ever since intensively investigated type of Au based catalyst. To judge its genuine catalytic potential and to be able to optimize its use in applications, it is mandatory, however, to quantify the influence of mass transport in the porous structure on the observed catalytic rates, i.e., to study the interplay between diffusion and reaction. To this end, we used pulsed field gradient (PFG) NMR for the first time to directly determine the diffusivities of reaction gases in a nanoporous metal – in this case for CO and CO₂ as species involved in low temperature CO oxidation efficiently catalyzed by npAu. By comparing the diffusion coefficients within the 20 nm pores of the material with the values in the bulk gas phase, the tortuosity of npAu’s pore system was assessable as the central geometrical parameter describing the extent to which diffusive transport in the pore system is slowed down. This knowledge allowed us in the following to disentangle the contributions of mass transport and the kinetics of the surface reaction (microkinetics). In particular, we were able to determine the rate constant and turnover frequency for low-temperature CO oxidation without previous ambiguities arising from potential transport limitations and to compare the results with other reported values. Based on the results, it was furthermore possible to predict optimized dimensions of the catalyst, resulting in minimized or even suppressed diffusion limitations. These predictions could be successfully verified, using np-Au platelets with lateral dimensions in the range of a few hundred microns. In this way, the catalytic conversion could be ramped up by 50 % and an activity level advanced which reflected the microkinetic potential of np-Au.

© The Authors, https://doi.org/10.1016/j.jcat.2022.08.020, licensed under CC BY-NC-ND 4.0

Nature Communications 13 (2022) , 4692.

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32370-5

Huntington’s disease is a neurodegenerative disease caused by an expanded polyQ stretch within Huntingtin (HTT) that renders the protein aggregation-prone, ultimately resulting in the formation of amyloid fibrils. A trimeric chaperone complex composed of Hsc70, DNAJB1 and Apg2 can suppress and reverse the aggregation of HTTExon1Q₄₈. DNAJB1 is the rate-limiting chaperone and we have here identified and characterized the binding interface between DNAJB1 and HTTExon1Q₄₈. DNAJB1 exhibits a HTT binding motif (HBM) in the hinge region between C-terminal domains (CTD) I and II and binds to the polyQ-adjacent proline rich domain (PRD) of soluble as well as aggregated HTT. The PRD of HTT represents an additional binding site for chaperones. Mutation of the highly conserved H244 of the HBM of DNAJB1 completely abrogates the suppression and disaggregation of HTT fibrils by the trimeric chaperone complex. Notably, this mutation does not affect the binding and remodeling of any other protein substrate, suggesting that the HBM of DNAJB1 is a specific interaction site for HTT. Overexpression of wt DNAJB1, but not of DNAJB1^H244A can prevent the accumulation of HTTExon1Q₉₇ aggregates in HEK293 cells, thus validating the biological significance of the HBM within DNAJB1.

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44th COSPAR Scientific Assembly, Athens, Greece, 2022: abstract PEX.2-0002-22.

Leading space agencies have the intention to bring humans to Mars in the next decades, and some private companies are pushing for sooner deadlines. In fact, promises and plans to land humans on Mars have recurrently been announced since the end of the Apollo era, but have remained largely incomplete or even abandoned. At the University of Bremen, we are convinced that human Mars exploration will happen and that it will have a huge impact on both humankind and on the Martian environment. Given that even optimists do not see humans on Mars before the 2030s, we believe that now is the right moment to research possible scenarios for human Mars exploration and settlement, and to study the consequences for Earth, Mars and humankind. To this end, we have formed a new research initiative "Humans on Mars - Pathways to a long-term sustainable human presence" at the University of Bremen. Our approach to human Mars exploration is transdisciplinary and human-centered. On one hand, humankind has experienced tremendous progress and increase in welfare since the Apollo era. On the other hand, we see unambiguously the immense impact of increasing population and welfare on the environmental pollution and associated climate changes. In a nutshell, while the development of new technologies has been the main driver of progress, it has also put Earth in danger. We here argue that human Mars exploration can be instrumental in leading a change from a technology-centered toward a human-centered society, thereby solving our most pressing problems on Earth. Specifically, the thin CO2 Martian atmosphere, the scarcity of energy sources and water, the difficulties to produce food and consumables, and the need for cooperative human-robotic crews, pose challenges whose solutions will enormously benefit Earth. In short, the mindset emerging from thinking under the severe constraints on Mars could be the key to making our presence on Earth sustainable. In this talk, we will present our vision and report on the progress made in selected areas, starting with the shifts in experience and demands on new ways of interaction which come with humankind's expansion to Mars. These include the interactions of the humans on Mars with the humans on Earth on one hand and their habitat and swarm of robots on the other. We will present our efforts in in-situ resource utilization, which focus on sustainable bioproduction, the extraterrestrial fabrication of metal alloys, the production with impure materials and the harvesting of energy from space radiation.

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Advanced Energy Materials12 (2022), 28

https://doi.org/10.1002/aenm.202200657

Although isolated nonhexagonal carbon rings in graphene are associated with strain relaxation and curvature, dense and ordered arrangements of four-, five-, and eight-membered rings with strained carbon–carbon bonds can tile 2D planar layers. Using the Boltzmann transport equation formalism in combination with density functional theory calculations, how the presence of nonhexagonal rings impacts the thermal conductivity of three 2D carbon allotropes: T-graphene (four and eight rings), biphenylene (four, six, and eight rings), and net-graphene (four, six, and eight rings), is investigated. The phonon thermal conductivity (κ_ph), which captures three-phonon, four-phonon, and phonon–electron interactions, is significantly lowered with respect to pristine graphene. In compensation, the electron thermal conductivity (κ_e), which captures electron–phonon interactions, is enhanced to record high values, such that the room-temperature total thermal conductivity κ_total = κ_ph + κ_e approaches the values of pristine graphene. 2D carbon allotropes could be of interest for applications requiring thermal energy transfer by a combination of diffusion of electrons and phonon vibrations.

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Chemical Engineering Journal  433 (2022), 133583

https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.133583

In the last decade, in-situ studies using nuclear magnetic resonance (NMR) showed the possibility to monitor local transport phenomena of gas-phase reactions inside opaque structures. While spatial species concentration is known to be accessible operando during heterogeneously catalyzed gas-phase reactions, the spatial acquisition of gas temperatures has proven to be challenging. So far, temperature information is gathered by auxiliary liquid-filled capillaries with temperature-dependent NMR-properties. Here, we present a method for spatially resolved temperature and density measurements of gases using the temperature dependence of the signal amplitude and the longitudinal relaxation time (T₁). In order to support the proposed method, temperature measurements of methane-filled tubes are carried out and compared to state-of-the-art temperature measurements using glycerol-filled capillaries. To demonstrate the applicability of the method during heterogeneously catalyzed gas-phase reactions, we measured the temperature operando inside a catalytically active honeycomb structure at standard pressure. The results show that direct temperature measurements of gases are possible, even though the low pressure inside the methane-filled tubes led to a low signal-to-noise ratio which compromised the accuracy of the data yielding relative errors of up to 7 %. This study focusses on temperature measurements of pure methane only. When applied to mixtures of gases, however, the proposed method has the potential to measure gas temperature and concentration at the same time.

© The Authors licensed under CC BY 4.0

Angewandte Chemie International Edition  61 (2022), 29

https://doi.org/10.1002/anie.202201925

The most pristinematerialof the Solar Systemis assumedto be preservedin cometsin the form of dust and iceas refractorymatter.ESA’smissionRosettaand its landerPhilaehad been developedto investigatethe nucleusof comet67P/Churyumov–Gerasimenkoin situ. Twenty-fiveminutesafter the initial touchdownof Philaeon the surfaceof comet67P in November2014, a mass spectrumwas recordedby the time-of-flightmass spectrometerCOSAConboardPhilae.The new characterizationof this mass spectrumthroughnon-negativeleast squaresfittingand MonteCarlo simulationsrevealsthe chemicalcompositionof comet67P. A suite of 12 organicmolecules,9 of whichalso foundin the originalanalysisof this data, exhibithigh statisticalprobabilityto be presentin the grainssampledfrom the cometarynucleus.Thesevolatilemoleculesare amongthe most abundantin the comet’schemicalcompositionand representan inventoryof the first raw materialspresentin the early Solar System.

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Advanced Energy Materials12 (2022) , 22

https://doi.org/10.1002/aenm.202103842

The exploitation of renewable low temperature heat sources below 100 °C can significantly contribute to the transition to a low-carbon economy, in particular if applied to small and household scale. The scientific community has taken on the challenge to develop alternative techniques for the exploitation of such sources. Several innovative methods have been recently proposed; among them, many are based on electrochemistry. Here, the various techniques are discussed and a general thermodynamic analysis that allows to compare the performances and to identify the most promising technique is provided. The thermodynamic analysis is then extended to find the possible research lines in material science that could lead to improvements of the performances of the various techniques.

© The Authors licensed under CC BY 4.0

Materials & Design  216 (2022), 110490

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110490

Sintering, as a post-processing step in metal binder jetting (MBJ), often results in distortion. Numerical simulations can predict sintering distortion and minimize costly trial-and-error experiments. The present paper implements a numerical approach based on a phenomenological model of sintering to capture the creep deformation during free sintering. To qualify and calibrate the material model for MBJ, metallographic studies, dilatometry experiments, and viscosity measurements are carried out instead of empirical models for viscosity and sinter stress. Using the calibrated material model, final sintering distortions are predicted in two industry-relevant parts. The reproducibility of MBJ products is illustrated by manufacturing seven specimens for each geometry, and a statistical method to evaluate the simulations’ accuracy is suggested. The predictions have a good agreement with experimental results, particularly for specimens with a lower build height. As the build height increases in MBJ specimens, the number of interlayer gaps in the build direction grows, resulting in anisotropic densification. This causes a lower prediction accuracy under isotropic shrinkage assumption, especially in overhang areas. Consideration of anisotropic shrinkage and heterogeneous density distribution of green parts in sintering simulation is essential to improve the accuracy of sintering predictions for MBJ components.

© The Authors, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.110490, licensed under CC BY 4.0

Scientific Reports (2022) 12, 2057

https://doi.org/10.1038/s41598-022-05871-y

Molecular diameters are an important property of gases for numerous scientific and technical disciplines. Different measurement techniques for these diameters exist, each delivering a characteristic value. Their reliability in describing the flow of rarefied gases, however, has not yet been discussed, especially the case for the transitional range between continuum and ballistic flow. Here, we present a method to describe gas flows in straight channels with arbitrary cross sections for the whole Knudsen range by using a superposition model based on molecular diameters. This model allows us to determine a transition diameter from flow measurement data that paves the way for generalized calculations of gas behaviour under rarefied conditions linking continuum and free molecular regime.

© The Authors, https://doi.org/10.1038/s41598-022-05871-y, licensed under CC BY 4.0

Nature Communications 13 (2022) , 687

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28381-x

Aqueous zinc-ion batteries are realistic candidates as stationary storage systems for power-grid applications. However, to accelerate their commercialization, some important challenges must be specifically tackled, and appropriate experimental practices need to be embraced to align the academic research efforts with the realistic industrial working conditions for stationary storage. Within this commentary article, both the open challenges and the good experimental practices are discussed in relation to their impact on the future development of the aqueous Zn-ion technology.

© The Authors licensed under CC BY 4.0

Composites Part A 152 (2021), 106714

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2021.106714

Surface-initiated ring-opening (SI-ROP) polymerization of ɛ-caprolactone is known as possible modification method to increase the hydrophobicity of cellulosic substrates. In this study SI-ROP of ɛ-caprolactone is applied on native and mercerized flax yarn. By use of triazabicyclodecene as catalyst, SI-ROP at room temperature was possible and poly-ɛ-caprolactone (PCL) was linked with a weight content of 4–10% to flax yarns. Besides a lower hydrophilicity an increased surface energy was achieved for PCL modified flax yarn. Furthermore, the positive effect of PCL linkage on the fibers surface regarding adhesion potential to an epoxy matrix was shown via conducting fiber-pull-out tests. After SI-ROP of ɛ-caprolactone on flax fiber surface a reduction of fiber pull-out up to 33% was achieved, evoked by physical improvement e.g. better wettability of fiber with epoxy matrix as well as enhanced crosslinking between the hydroxyl groups of the surface grafted PCL and the epoxy resin.

© 2021 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Advances in Space Research (2021) 68 (6), 2565-2599

https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.04.047

© 2021 COSPAR. Published by Elsevier B.V., https://doi.org/10.1016/j.asr.2021.04.047

This publication is a result of the Humans on Mars Initiative.

Scientific Reports (2021) 11, 16861

https://doi.org/10.1038/s41598-021-95404-w

Separation of (biological) particles (≪10 μm≪10 μm) according to size or other properties is an ongoing challenge in a variety of technical relevant fields. Dielectrophoresis is one method to separate particles according to a diversity of properties, and within the last decades a pool of dielectrophoretic separation techniques has been developed. However, many of them either suffer selectivity or throughput. We use simulation and experiments to investigate retention mechanisms in a novel DEP scheme, namely, frequency-modulated DEP. Results from experiments and simulation show a good agreement for the separation of binary PS particles mixtures with respect to size and more importantly, for the challenging task of separating equally sized microparticles according to surface functionalization alone. The separation with respect to size was performed using 2 μμm and 3 μμm sized particles, whereas separation with respect to surface functionalization was performed with 2 μμm particles. The results from this study can be used to solve challenging separation tasks, for example to separate particles with distributed properties.

© The Authors, https://doi.org/10.1038/s41598-021-95404-w, licensed under CC BY 4.0

Angewandte Chemie International Edition (2021) 60, 19133-19138

https://doi.org/10.1002/anie.202107975

Carbenes and their analogues have constantly enthralled chemists with their intriguing reactivity of ambiphilic character stemming from their electronic structures. Phosphenium and arsenium ions are fiercely reactive cationic species, the stabilization of which has been so far achieved in the condensed phase by dispersing the positive charge through electromeric conjugation with at least one electron-rich substituent (frequently amido groups). Although observed in the gas phase, the isolation of dicoordinate phosphenium and arsenium ions lacking such stabilizing ligands has eluded chemists for decades. Herein we show that by judicious choice of aromatic substituents, dicoordinate, donor-free, Lewis-superacidic phosphenium and arsenium ions can be kinetically stabilized. They feature singlet electronic ground states possessing a vacant p-orbital and an electron lone pair with predominantly s-character.

© The Authors, https://doi.org/10.1002/anie.202107975, licensed under CC BY 4.0

Journal of Hazardous Materials (2021) 417, 5

https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126005

The era of advanced computer simulations in materials science enables a great potential to design in silico computational experiments for (nano-)material performance. The adsorption efficiency of nanoparticles in various environments can be unveiled by atomistic models and computer simulations. Arsenic (As) is one of the important globally distributed contaminants with a hazardous impact on human health and environment, and it can strongly bind with iron nanocrystals (e.g., hematite (Fe₂O₃)) depending on their shape and size. Here, we developed a novel Kinetic Monte Carlo (KMC) model capable of exploring and delineating shape-efficiency dependence for Fe₂O₃ nanocrystals in contact with arsenate-contaminated water. This newly designed model demonstrated the performance of nanocrystals for removal of toxic (As) ions on their surface. The current model opens new avenues for designing further advanced KMC models for nanoparticles-toxic ions interactions, under varying environmentally relevant situations, e.g., groundwater, wetlands, and water treatment systems. In addition to bidentate adsorption complexes, implemented in the model presented, monodentate and outer-sphere adsorption complexes should be incorporated into the KMC model. Detailed environmental controls can be addressed by implementation of pH and background ions.

© The Authors, https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.126005, licensed under CC BY-NC-ND 4.0

Advances in Space Research (2021) 67 (9), 2688-2695

https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.09.026

All currently considered solar sail designs require the deployment of a thin reflective membrane. This membrane is stowed using some folding technique and sometimes coiled onto a spool. The temperature of the deployed sail membrane is a critical aspect for solar sail design. Depending on the geometry of the imprinted folding lines, sunlight may be reflected inside folding lines which would locally increase the temperature of the membrane. The analysis presented here aims for a quantification of that temperature increase. Microscope images of a thick polyimide membrane reveal the geometry of folding lines for different tensioning states. In addition, the opening of folding lines are analysed with a finite-element beam model. After the determination of the geometry as a function of the tensioning state, it is analysed how many reflections may appear in a folding line depending on its opening angle for a sail that is oriented perpendicular to the Sun. Two cases are investigated, deep space and low-Earth orbit. It is shown that, even for small tensioning states, the membrane geometry does not allow more than only two reflections. Depending on the material, this can cause a slight temperature increase that also depends on the investigated case (deep space or low-Earth orbit).

© The Authors, https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.09.026, licensed under CC BY-NC-ND 4.0

American Chemical Society (2021) 13 (20), 24130-24137

https://doi.org/10.1021/acsami.1c04056

Acta Astronautica (2021) 182, 160-178.

https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.01.049

Analog environments for simulating aspects of spaceflight are being utilized for studying the psychological effects of the projected journey to Mars. In 2016, a series of three analog missions concluded at the Hawaii Space Exploration Analog and Simulation (HI-SEAS) facility. Three crews, each with six volunteers per mission, completed consecutive missions of increasing duration, simulating the isolation and confinement of a Mars exploration mission. The durations of the analog missions were 4 months, 8 months, and 12 months, respectively. In this paper, former crew members of these three missions compare how each crew organized their schedules with regard to work routines and social activities. We outline group-living habits that evolved similarly in the independent crews, and we discuss where social norms differed, leading to idiosyncratic policies for group-living during each mission. This information may serve as a reference to mission planners of both simulated and actual human spaceflight missions and also offers insights for psychology researchers that could motivate future studies of team cohesion and performance.

© The Authors, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2021.01.049, licensed under CC BY-NC-ND 4.0

This publication is a result of the Humans on Mars Initiative.

Journal of Materials Processing Technology (2021) 289, 116960. 

https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2020.116960

The material and its microstructure define the behaviour of a part in a deformation process. A single particle deformation process is introduced as a rapid material characterization method extending already existing approaches. Particle-oriented peening is performed with spherical micro samples of the low carbon steel 100Cr6 (AISI 52100) and the martensitic stainless steel X46Cr13 (AISI 420). Three different diameters (0.6 mm, 0.8 mm and 1.0 mm) were chosen to investigate the impact of the material and the surface to volume ratio. By processing single particles, the mechanical and geometrical properties of the particle before and after the impact can be linked to the deformation behaviour during the peening process. The elastic and plastic material properties are revealed by studying the remaining plastic deformation of the particle and the velocity reduction as a result of the impact. Instrumented universal micro hardness measurements are carried out to determine the hardness of the particles and to correlate it with the behavior of the particles during the particle-oriented peening process. The plastic deformation work as a characteristic value of micro hardness measurements of the different material states is discussed. It is conceivable that the consideration of different material behaviour related values (so-called descriptors) may replace conventional material testing in the future. Using short-term characterization methods like the particle-oriented peening a fast determination of material properties is possible.

© 2020 Elsevier B.V., https://doi.org/10.1016/j.asr.2020.09.026

Front. Microbiol. (2021).

doi: 10.3389/fmicb.2021.611798

Press release ZARM

ZDF Heute feature

The leading space agencies aim for crewed missions to Mars in the coming decades. Among the associated challenges is the need to provide astronauts with life-support consumables and, for a Mars exploration program to be sustainable, most of those consumables should be generated on site. Research is being done to achieve this using cyanobacteria: fed from Mars's regolith and atmosphere, they would serve as a basis for biological life-support systems that rely on local materials. Efficiency will largely depend on cyanobacteria's behavior under artificial atmospheres: a compromise is needed between conditions that would be desirable from a purely engineering and logistical standpoint (by being close to conditions found on the Martian surface) and conditions that optimize cyanobacterial productivity. To help identify this compromise, we developed a low-pressure photobioreactor, dubbed Atmos, that can provide tightly regulated atmospheric conditions to nine cultivation chambers. We used it to study the effects of a 96% N₂, 4% CO₂ gas mixture at a total pressure of 100 hPa on Anabaena sp. PCC 7938. We showed that those atmospheric conditions (referred to as MDA-1) can support the vigorous autotrophic, diazotrophic growth of cyanobacteria. We found that MDA-1 did not prevent Anabaena sp. from using an analog of Martian regolith (MGS-1) as a nutrient source. Finally, we demonstrated that cyanobacterial biomass grown under MDA-1 could be used for feeding secondary consumers (here, the heterotrophic bacterium E. coli W). Taken as a whole, our results suggest that a mixture of gases extracted from the Martian atmosphere, brought to approximately one tenth of Earth's pressure at sea level, would be suitable for photobioreactor modules of cyanobacterium-based life-support systems. This finding could greatly enhance the viability of such systems on Mars.

This publication is a result of the Humans on Mars Initiative.

Nano Letters (2021) 21, 1871-1878

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c05080

© 2021 American Chemical Society, https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c05080

ACS Earth Space Chem. (2021) 5, 391-408

https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.0c00250

More hot articles on electron-induced chemistry from the Swiederek group can be found here: https://www.uni-bremen.de/fb2/news/detailansicht/heisse-forschung-zu-elektronen-induzierter-chemie

Article:

• Mechanisms of methyl formate production during electron-induced processing of methanol–carbon monoxide ices, F. Schmidt, P. Swiderek, J. H. Bredehöft, Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 11649-11662 (2021). https://doi.org/10.1039/D1CP01255J
• Role of low-energy electrons in the solubility switch of Zn-based oxocluster photoresist for extreme ultraviolet lithography M. Rohdenburg, N. Thakur, R. Cartaya, S. Castellanos, P. Swiderek, Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 16646-16657 (2021). https://doi.org/10.1039/D1CP02334A

Nat. Nanotechnol. (2020).

doi: 10.1038/s41565-020-00791-2

Press release of the University of Bremen

Conical intersections (CoIns) of multidimensional potential energy surfaces are ubiquitous in nature and control pathways and yields of many photo-initiated intramolecular processes. Such topologies can be potentially involved in the energy transport in aggregated molecules or polymers but are yet to be uncovered. Here, using ultrafast two-dimensional electronic spectroscopy (2DES), we reveal the existence of intermolecular CoIns in molecular aggregates relevant for photovoltaics. Ultrafast, sub-10-fs 2DES tracks the coherent motion of a vibrational wave packet on an optically bright state and its abrupt transition into a dark state via a CoIn after only 40 fs. Non-adiabatic dynamics simulations identify an intermolecular CoIn as the source of these unusual dynamics. Our results indicate that intermolecular CoIns may effectively steer energy pathways in functional nanostructures for optoelectronics.

Intermolecular conical intersections in molecular aggregates

ADVANCED MANUFACTURING: POLYMER & COMPOSITES SCIENCE (2020)

doi: 10.1080/20550340.2020.1838224

Current wind turbine rotor blades have a significant impact on the cost of the turbine, which is mainly a consequence of the manual process steps involved in blade production. The manual, labour-intensive production process leads to high tolerances and requires high safety and reliability factors. Especially in the case of offshore turbines with current and upcoming blade dimensions, automation will make the blades cost effective, quicker to produce and guarantees a higher quality. Here, we analyse the current blade structure and production processes and present a technical review of the existing automation approaches for the textile build-up process in industry and academia. Thereby we classify these approaches according to the different techniques based on the rotor blade structure parts.

Towards automation of wind energy rotor blade production: a review of challenges and application examples

npj Quantum Materials (2020) 5, Article number: 79

doi: 10.1038/s41535-020-00277-3

The interplay of electronic correlations, spin–orbit coupling and topology holds promise for the realization of exotic states of quantum matter. Models of strongly interacting electrons on honeycomb lattices have revealed rich phase diagrams featuring unconventional quantum states including chiral superconductivity and correlated quantum spin Hall insulators intertwining with complex magnetic order. Material realizations of these electronic states are, however, scarce or inexistent. In this work, we propose and show that stacking 1T-TaSe₂ into bilayers can deconfine electrons from a deep Mott insulating state in the monolayer to a system of correlated Dirac fermions subject to sizable spin–orbit coupling in the bilayer. 1T-TaSe₂ develops a Star-of-David charge density wave pattern in each layer. When the Star-of-David centers belonging to two adyacent layers are stacked in a honeycomb pattern, the system realizes a generalized Kane–Mele–Hubbard model in a regime where Dirac semimetallic states are subject to significant Mott–Hubbard interactions and spin–orbit coupling. At charge neutrality, the system is close to a quantum phase transition between a quantum spin Hall and an antiferromagnetic insulator. We identify a perpendicular electric field and the twisting angle as two knobs to control topology and spin–orbit coupling in the system. Their combination can drive it across hitherto unexplored grounds of correlated electron physics, including a quantum tricritical point and an exotic first-order topological phase transition.

Scientific Reports (2020) 10 (1), art. no. 17890

doi: 10.1038/s41598-020-74434-w

Scanning transmission electron microscopy (STEM) allows to gain quantitative information on the atomic-scale structure and composition of materials, satisfying one of todays major needs in the development of novel nanoscale devices. The aim of this study is to quantify the impact of inelastic, i.e. plasmon excitations (PE), on the angular dependence of STEM intensities and answer the question whether these excitations are responsible for a drastic mismatch between experiments and contemporary image simulations observed at scattering angles below ∼ 40 mrad. For the two materials silicon and platinum, the angular dependencies of elastic and inelastic scattering are investigated. We utilize energy filtering in two complementary microscopes, which are representative for the systems used for quantitative STEM, to form position-averaged diffraction patterns as well as atomically resolved 4D STEM data sets for different energy ranges. The resulting five-dimensional data are used to elucidate the distinct features in real and momentum space for different energy losses. We find different angular distributions for the elastic and inelastic scattering, resulting in an increased low-angle intensity (∼ 10–40 mrad). The ratio of inelastic/elastic scattering increases with rising sample thickness, while the general shape of the angular dependency is maintained. Moreover, the ratio increases with the distance to an atomic column in the low-angle regime. Since PE are usually neglected in image simulations, consequently the experimental intensity is underestimated at these angles, which especially affects bright field or low-angle annular dark field imaging. The high-angle regime, however, is unaffected. In addition, we find negligible impact of inelastic scattering on first-moment imaging in momentum-resolved STEM, which is important for STEM techniques to measure internal electric fields in functional nanostructures. To resolve the discrepancies between experiment and simulation, we present an adopted simulation scheme including PE. This study highlights the necessity to take into account PE to achieve quantitative agreement between simulation and experiment. Besides solving the fundamental question of missing physics in established simulations, this finally allows for the quantitative evaluation of low-angle scattering, which contains valuable information about the material investigated.

Influence of plasmon excitations on atomic-resolution quantitative 4D scanning transmission electron
microscopy

ACS Applied Nano Materials (2020) 3 (8), 7490-7498.

doi:10.1021/acsanm.0c01104

Beilstein J. Nanotechnology (2020) 11, 991–999.

doi:10.3762/bjnano.11.83

Helical structures can be found in nature at various length scales ranging from the molecular level to the macroscale. Due to theirability to store mechanical energy and to optimize the accessible surface area, helical shapes contribute particularly to motion-driven processes and structural reinforcement. Due to these special features, helical fibers have become highly attractive forbiotechnological and tissue engineering applications. However, there are only a few methods available for the production ofbiocompatible helical microfibers. Given that, we present here a simple technique for the fabrication of helical chitosan microfiberswith embedded magnetic nanoparticles. Composite fibers were prepared by wet-spinning and coagulation in an ethanol bath.Thereby, no toxic components were introduced into the wet-spun chitosan fibers. After drying, the helical fibers had adiameter of approximately 130 μm. Scanning electron microscopy analysis of wet-spun helices revealed that the magnetic nanopar-ticles agglomerated into clusters inside the fiber matrix. The helical constructs exhibited a diameter of approximately 500 μm withone to two windings per millimeter. Due to their ferromagnetic properties they are easily attracted to a permanent magnet. Theresults from the tensile testing show that the helical chitosan microfibers exhibited an average Young’s modulus of 14 MPa. Bytaking advantage of the magnetic properties of the feedstock solution, the production of the helical fibers could be automated. Thefabrication of the helical fibers was achieved by utilizing the magnetic properties of the feedstock solution and winding theemerging fiber around a rotating magnetic collector needle upon coagulation. In summary, our helical chitosan microfibers are veryattractive for future use in magnetic tissue engineering or for the development of biocompatible actuator syste

PNAS (2020) 117, 11233-11239

https://doi.org/10.1073/pnas.1913716117

Pulsating flows through tubular geometries are laminar provided that velocities are moderate. This in particular is also believed to apply to cardiovascular flows where inertial forces are typically too low to sustain turbulence. On the other hand, flow instabilities and fluctuating shear stresses are held responsible for a variety of cardiovascular diseases. Here we report a nonlinear instability mechanism for pulsating pipe flow that gives rise to bursts of turbulence at low flow rates. Geometrical distortions of small, yet finite, amplitude are found to excite a state consisting of helical vortices during flow deceleration. The resulting flow pattern grows rapidly in magnitude, breaks down into turbulence, and eventually returns to laminar when the flow accelerates. This scenario causes shear stress fluctuations and flow reversal during each pulsation cycle. Such unsteady conditions can adversely affect blood vessels and have been shown to promote inflammation and dysfunction of the shear stress-sensitive endothelial cell layer.

Advanced Engineering Materials (2020) 22, 2000352

https://doi.org/10.1002/adem.202000352

This article is also featured on advanced science news:
https://www.advancedsciencenews.com/3d-printing-with-nanoparticles/

To translate the exceptional properties of colloidal nanoparticles (NPs) to macroscale geometries, assembly techniques must bridge a 10⁶‐fold range of length. Moreover, for successfully attaining a final mechanically robust nanocomposite macroscale material, some of the intrinsic NPs’ properties have to be maintained while minimizing the density of strength‐limiting defects. However, the assembly of nanoscale building blocks into macroscopic dimensions, and their effective macroscale properties, are inherently affected by the precision of the conditions required for assembly and emergent flaws including point defects, dislocations, grain boundaries, and cracks. Herein, a direct‐write self‐assembly technique is used to construct free‐standing, millimeter‐scale columns comprising spherical iron oxide NPs (15 nm diameter) surface functionalized with oleic acid (OA), which self‐assemble into face‐centered cubic (FCC) supercrystals in minutes during the direct‐writing process. The subsequent crosslinking of OA molecules results in nanocomposites with a maximum strength of 110 MPa and elastic modulus up to 58 GPa. These mechanical properties are interpreted according to the flaw size distribution and are as high as newly engineered platelet‐based nanocomposites. The findings indicate a broad potential to create mechanically robust, multifunctional 3D structures by combining additive manufacturing with colloidal assembly.

Acta Materialia (2020) 188, 733-739

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.02.058

Laser based powder bed fusion is a promising manufacturing method that can be used for the fabrication of hard magnets such as NdFeB with nearly any given geometrical shape. However, the weak performance, e.g., low coercivity, of the 3D-printed magnets currently hinder their application. In this work, we demonstrated a proof-of-concept of powder bed additive manufacturing of heavy rare earth free NdFeB magnets with technologically attractive coercivity values. The 3D-printed NdFeB magnets exhibit the highest (up-to-date for the additively manufactured magnets without heavy rare earth metals) coercivity values reaching μ₀H_c = 1.6 T. The magnets were synthesized using a mixture of the NdFeB-based and the low-melting eutectic alloy powders. The essential function of the eutectic alloy, along with binding of the NdFeB-based magnetic particles, is the significant improvement of their coercivity by the in-situ grain boundary (GB) infiltration. The fundamental understanding of the magnetization reversal processes in these 3D-printed magnets leads to the conclusion that the excellent performance of the additively manufactured hard magnets can be achieved through the delicate control of the intergrain exchange interaction between the grains of the Nd₂Fe₁₄B phase.

Materials Advances(2020) 1, 86-98

DOI: 10.1039/d0ma00025f

A number of experimental studies have evaluated the potential of hydrophobic high-silica zeolites for the adsorptive removal of emerging organic contaminants, such as pharmaceuticals and personal care products, from water. Despite the widespread use of molecular modelling techniques in various other fields of zeolite science, the adsorption of pharmaceuticals and related pollutants has hardly been studied computationally. In this work, inexpensive molecular simulations using a literature force field (DREIDING) were performed to study the interaction of 21 emerging contaminants with two all-silica zeolites, mordenite (MOR topology) and zeolite Y (FAU topology). The selection of adsorbents and adsorbates was based on a previous experimental investigation of organic contaminant removal using high-silica zeolites (A. Rossner et al., Water Res., 2009, 43, 3787–3796). An analysis of the lowest-energy configurations revealed a good correspondence between calculated interaction energies and experimentally measured removal efficiencies (strong interaction – high removal), despite a number of inherent simplifications. This indicates that such simulations could be used as a screening tool to identify promising zeolites for adsorption-based pollutant removal prior to experimental investigations. To illustrate the predictive capabilities of the method, additional calculations were performed for acetaminophen adsorption in 11 other zeolite frameworks, as neither mordenite nor zeolite Y remove this pharmaceutical efficiently. Furthermore, the lowest-energy configurations were analysed for selected adsorbent-adsorbate combinations in order to explain the observed differences in affinity.

ACS Catalysis (2020) 10, 3164-3174

https://doi.org/10.1021/acscatal.9b05175

Software X (2020) 11, 100395

https://doi.org/10.1016/j.softx.2019.100395

We present nsCouette, a highly scalable software tool to solve the Navier–Stokes equations for incompressible fluid flow between differentially heated and independently rotating, concentric cylinders. It is based on a pseudospectral spatial discretization and dynamic time-stepping. It is implemented in modern Fortran with a hybrid MPI-OpenMP parallelization scheme and thus designed to compute turbulent flows at high Reynolds and Rayleigh numbers. An additional GPU implementation (C-CUDA) for intermediate problem sizes and a version for pipe flow (nsPipe) are also provided.

Desalination (2020) 475, 114192

DOI: 10.1016/j.desal.2019.114192

Lithium is becoming an important raw material due to the expansion of the market of lithium-ion batteries, required for electric vehicles and for stationary energy storage. The current method of lithium extraction is slow, inefficient and it has a strong environmental impact. In the last decade a new technology, called “electrochemical ion pumping”, based on the electrochemical selective capture of lithium cations from the brine, followed by the release of the ions into a so-called “recovery solution”, was proposed. In this work, we developed a flow-through-electrodes reactor, with which it was possible to capture lithium from a diluted solution containing 1 mM LiCl and 1 M NaCl, and concentrate it in a recovery solution. After 9 cycles, it was possible to produce 5 mL of 100 mM LiCl solution with 94% purity starting from more than one liter source solution. We have estimated the energy required by the process, finding that the major contribution is given by the hydraulic energy for pumping the electrolyte through the cell. The evaluation shows that the technology is economically feasible and it can enable a sustainable future production of lithium.

Chemical Engineering Journal (2020) 388 124234

https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.124234

A micro-scale analysis of mass transport in ceramic foams that are used as catalyst supports in gas phase reactions is of high interest. Although the effects of flow rate and foam parameters on the radial and axial dispersion are known for liquid flows, no pore-scale experimental analysis has been yet reported to correlate the mechanical and diffusional dispersion of gas flows to the geometry of open-cell foams. Here, a spatially resolved Pulsed Field Gradient NMR method is applied to determine dispersion coefficients of thermally polarized gas along axial and transversal directions of open-cell foams. The comparative study of three commercial foam samples with different morphologies shows the effect of open porosity, window size, and flow rate on gas dispersion. Additionally, the influence of mechanical and diffusional dispersion at each flow rate is investigated for individual samples. By observing the transition from diffusional dispersion to mechanically driven dispersion of gas, it is found that diffusional dispersion plays an important role, even at higher flow rates after a transition from Darcy to Darcy-Forchheimer regime occurs. The measured values for dispersion coefficients of methane can be directly used in pseudo-heterogeneous models for the methanation reaction.

Angewandte Chemie - International Edition (2020) 59, 1828-1836

https://doi.org/10.1002/anie.201912312

The progress in nanomedicine (NM) using nanoparticles (NPs) is mainly based on drug carriers for the delivery of classical chemotherapeutics. As low NM delivery rates limit therapeutic efficacy, an entirely different approach was investigated. A homologous series of engineered CuO NPs was designed for dual purposes (carrier and drug) with a direct chemical composition–biological functionality relationship. Model-based dissolution kinetics of CuO NPs in the cellular interior at post-exposure conditions were controlled through Fe-doping for intra/extra cellular Cu²⁺ and biological outcome. Through controlled ion release and reactions taking place in the cellular interior, tumors could be treated selectively, in vitro and in vivo. Locally administered NPs enabled tumor cells apoptosis and stimulated systemic anti-cancer immune responses. We clearly show therapeutic effects without tumor cells relapse post-treatment with 6 % Fe-doped CuO NPs combined with myeloid-derived suppressor cell silencing.

ACS Applied Nano Materials (2020) 3, 699-710.

https://doi.org/10.1021/acsanm.9b02231

Angewandte Chemie- International Edition (2020) 59, Pages 1581-1584

https://doi.org/10.1002/anie.201913081

The bis(ferrocenyl)phosphenium ion, [Fc₂P]⁺, reported by Cowley et al. (J. Am. Chem. Soc. 1981, 103, 714–715), was the only claimed donor-free divalent phosphenium ion. Our examination of the molecular and electronic structure reveals that [Fc₂P]⁺ possesses significant intramolecular Fe⋅⋅⋅P contacts, which are predominantly electrostatic and moderate the Lewis acidity. Nonetheless, [Fc₂P]⁺ undergoes complex formation with the Lewis bases PPh₃ and IPr to give the donor–acceptor complexes [Fc₂P(PPh₃)]⁺ and [Fc₂P(IPr)]⁺ (IPr=1,3-bis(2,6-diisopropylphenyl)imidazole-2-ylidene).

Advanced Materials (2019) 1906160

https://doi.org/10.1002/adma.201906160

Controlling the feature sizes of 3D bicontinuous nanoporous (3DNP) materials is essential for their advanced applications in catalysis, sensing, energy systems, etc., requiring high specific surface area. However, the intrinsic coarsening of nanoporous materials naturally reduces their surface energy leading to the deterioration of physical properties over time, even at ambient temperatures. A novel 3DNP material beating the universal relationship of thermal coarsening is reported via high-entropy alloy (HEA) design. In newly developed TiVNbMoTa 3DNP HEAs, the nanoporous structure is constructed by very fine nanoscale ligaments of a solid-solution phase due to enhanced phase stability by maximizing the configuration entropy and suppressed surface diffusion. The smallest size of 3DNP HEA synthesized at 873 K is about 10 nm, which is one order of magnitude smaller than that of conventional porous materials. More importantly, the yield strength of ligament in 3DNP HEA approaches its theoretical strength of G/2π of the corresponding HEA alloy even after thermal exposure. This finding signifies the key benefit of high-entropy design in nanoporous materials—exceptional stability of size-related physical properties. This high-entropy strategy should thus open new opportunities for developing ultrastable nanomaterials against its environment.

Physical Review Letters (2019) 123, 206403

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.206403

We investigate the effects of external dielectric screening on the electronic dispersion and the band gap in the atomically thin, quasi-two-dimensional (2D) semiconductor WS2 using angle-resolved photoemission and optical spectroscopies, along with first-principles calculations. We find the main effect of increased external dielectric screening to be a reduction of the quasiparticle band gap, with rigid shifts to the bands themselves. Specifically, the band gap of monolayer WS2 is decreased by about 140 meV on a graphite substrate as compared to a hexagonal boron nitride substrate, while the electronic dispersion of WS2 remains unchanged within our experimental precision of 17 meV. These essentially rigid shifts of the valence and conduction bands result from the special spatial structure of the changes in the Coulomb potential induced by the dielectric environment of the monolayer.

Nano Letters (2019) 19(11), pp. 8630-8637

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b03194