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Portrait Monika Landgraf
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Monika Landgraf

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Ausgabe 02/2019

Ausgabe 02/2019
Datum: 27.02.2019
KIT-Kompakt 02/19 - Nachhaltige Mobilität, Smart Grids, Medizintechnik, Quanteninformationstechnik, Geophysik, Nanotechnologie, Metallorganische Verbindungen
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KIT-Kompakt - monatliche Pressenachrichten (Ausgabe 02/2019)

Sehr geehrte Journalistin, sehr geehrter Journalist,
 
heute erhalten Sie die aktuelle Ausgabe der monatlichen Pressenachrichten aus dem Karlsruher Institut für Technologie. Wir wollen Sie in kompakter Form über spannende Forschungsthemen informieren und würden uns freuen, wenn passende Nachrichten für Ihre redaktionelle Berichterstattung dabei sind. Gerne vermitteln wir Ihnen bei Bedarf weitere Informationen und Ansprechpartner. Um Beleg Ihrer Berichterstattung wird gebeten.

Freundliche Grüße
Ihr Presseservice des KIT
 
 
Quanteninformationstechnik: Drei Komponenten auf einem Chip

Smart Grid: Intelligente Steuersysteme für Verteilnetze

Mobilität: Wasserstoff als Kraftstoff für Busse in Offenburg

Medizintechnik: Von der Plastikfolie zum Urin-Analysegerät

Nanotechnologie: Designoptimierung von Wirkstoffen

Geophysik: Strukturen in extremer Tiefe

Chemie: Reaktive Metallorganische Verbindung gezähmt
Experte des Monats
Alexander Mädche: Menschzentrierte Digitalisierung

Gründer des Monats
understand.ai: Objekterkennung

Tipps und Termine
FameLab, Baustoffe, Kinder und Sport, Nachhaltigkeit, Umwelteinflüsse, Materialinnovationen
 
 
 
Quanteninformationstechnik: Drei Komponenten auf einem Chip
Photonischer Schaltkreis, in dem Einzelphotonen geführt und auf zwei Wellenleiterarme aufgeteilt werden. Die Detektion erfolgt direkt auf dem Chip mittels integrierter Detektoren am Ende der beiden Arme. Die reflektierenden Metallschichten dienen der Unterdrückung des Streulichts des Anregungslasers. Bild: Uni Stuttgart/M. Schwartz
Quantencomputer sollen bestimmte Rechenprobleme sehr viel schneller lösen können als ein klassischer Computer. Ein Quantenansatz verwendet einzelne Photonen zur Übertragung und Verarbeitung von Information, was in der technischen Realisierung jedoch aufwendig ist. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie und der Universität Stuttgart haben drei notwendige Technik-Komponenten (Einzelphotonenquellen, Strahlteiler und Einzelphotonendetektoren) erstmals auf einem einzigen kompakten Chip integriert, wie sie in der Fachzeitschrift Nano Letters berichten.

„Eine der Herausforderungen in einem solchen komplett auf einem Chip durchgeführten Experiment war die Nähe des Anregungslasers zu den Detektoren auf dem Chip“, erklären Ekkehart Schmidt vom KIT und Mario Schwartz von der Universität Stuttgart. „Die Detektoren können nicht unterscheiden, welche Photonen vom Laser und welche vom Quantenpunkt kommen, was zu unerwünschten Detektionen führt.“ Schmidt und Schwartz haben den Einfluss der Laserphotonen deutlich verringert, indem sie reflektierende Metallschichten auf dem Chip platzierten. Nanometergroße Strukturen – sogenannten Quantenpunkte – auf einer Plattform aus Galliumarsenid dienen als effiziente Quelle von Einzelphotonen. Auf dem gleichen Chip können auch optische Logik-Schaltkreise und spezielle Detektoren aus supraleitenden Nanodrähten platziert werden. Im vorgestellten Experiment wurden von einem optisch gepumpten Quantenpunkt emittierte Einzelphotonen in einem photonischen Wellenleiter geführt und von einem Strahlteiler in zwei mit jeweils einem Detektor ausgerüstete Wellenleiterarme aufgeteilt. (kes)

Bildunterschrift: Photonischer Schaltkreis, in dem Einzelphotonen geführt und auf zwei Wellenleiterarme aufgeteilt werden. Die Detektion erfolgt direkt auf dem Chip mittels integrierter Detektoren am Ende der beiden Arme. Die reflektierenden Metallschichten dienen der Unterdrückung des Streulichts des Anregungslasers. (Bild: Uni Stuttgart/M. Schwartz)

Mehr Information:
uni-stuttgart.de/universitaet/aktuelles/presseinfo/Drei-Komponenten-auf-einem-Chip

pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.8b02794


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Smart Grid: Intelligente Steuersysteme für Verteilnetze

Mit dem Voranschreiten der Energiewende werden Erneuerbare Energien und die Elektromobilität gleichzeitig ausgebaut. Das erzeugt Schwankungen in den elektrischen Verteilnetzen und macht neue Lösungen bei der Steuerung erforderlich. Im Kopernikus-Projekt ENSURE erforscht das KIT neue Ansätze, wie man Ressourcen optimal einsetzen, dezentrale Energieanlagen intelligenter steuern und das Potenzial für Flexibilität im Netz vorausberechnen kann.

Ziel der Forschung sind automatische Steuersysteme, die sowohl die verfügbaren Energieressourcen als auch das Konsumverhalten der Verbraucher berücksichtigen sowie auf dynamische Veränderungen, etwa bei Wetter- und Marktbedingungen, reagieren. Die dabei entstehenden Optimierungsprobleme lassen sich aufgrund ihrer Komplexität nicht durch klassische Verfahren lösen. Erfolg versprechend sind aber neue Methoden auf Basis von Metaheuristiken, die am Institut für Automation und angewandte Informatik (IAI) des KIT entwickelt werden. „Das sind Algorithmen zur annäherungsweisen Lösung von Optimierungsproblemen“, erklärt Clemens Düpmeier  vom IAI. „Damit erzielen wir einen guten Kompromiss zwischen Genauigkeit und der tatsächlichen Performanz der Lösung.“ Bei der Vorausberechnung der möglichen Bandbreite an Flexibilität soll außerdem Maschinelles Lernen eingesetzt werden. Trainiert man nämlich künstliche neuronale Netzwerke mit großen Datensätzen zu Verbrauch und Angebot in Verteilnetzen, kann das ebenfalls die Genauigkeit von Vorhersagen verbessern. (mhe)

Mehr Information:
kopernikus-projekte.de/projekte/neue-netzstrukturen


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Mobilität: Wasserstoff als Kraftstoff für Busse in Offenburg

Lässt sich ein emissionsfreier öffentlicher Personennahverkehr auf der Basis von Wasserstoff- und Brennstoffzellentechnologie realisieren? Dieser Frage geht nun das Forschungsprojekt „H2Bus“ nach, das vom Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft des Landes Baden-Württemberg mit rund 175 000 Euro gefördert wird und an dem zwei Arbeitsgruppen des KIT mitarbeiten.

Im Laufe des Jahres soll ein Konzept entwickelt werden, wie die Modellregion Offenburg mit brennstoffzellenbetriebenen Bussen erschlossen werden kann. „Wir werden im Projekt die technischen Möglichkeiten ganz genau unter die Lupe nehmen, aber auch die Kosten analysieren und die notwendige Infrastruktur ebenso betrachten wie die gesellschaftliche Akzeptanz“, erläutert Projektleiter Maxime Zeller von EIFER, dem Europäischen Institut für Energieforschung am KIT. „Mit dem Projekt schlagen wir die Brücke zwischen wissenschaftlichen Erkenntnissen und der Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen“, erläutert Martin Kagerbauer vom Institut für Verkehrswesen des KIT. Das KIT betreibt bereits seit dem Jahr 2013 eine brennstoffzellenbetriebene Buslinie auf der Pendelstrecke zwischen seinen beiden Standorten in Karlsruhe und Eggenstein-Leopoldshafen. Weiterer Partner des Projektes „Wasserstoffmobilität im ÖPNV der Stadt Offenburg und Umgebung – Konzeptentwicklung, technoökonomische Analyse und gesellschaftliche Akzeptanz“ sind die Hochschule Offenburg und die Stadt Offenburg. (kes)

Mehr Information:
hs-offenburg.de/nc/news-detail/article/emissionsfreier-oepnv-fuer-offenburg

kit.edu/kit/pi_2013_13080.php

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Medizintechnik: Von der Plastikfolie zum Urin-Analysegerät

Nierenfunktionsstörungen oder Stoffwechselerkrankungen zeigen sich oft zuerst im Urin. Dementsprechend wichtig ist eine schnelle und kontaminationsfreie Analyse. Bisherige Messverfahren können jedoch nicht am „Point-of-Care“, also dezentral in Patientennähe, angewendet werden. Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Swati Sharma vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT hat nun ein Verfahren entwickelt, um flexible, kostengünstige Harnstoff-Mikrosensoren herzustellen. Diese können beispielsweise gerollt und in Katheterschläuchen eingesetzt werden.

Als Grundlage nutzten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kommerzielle Kunststofffilme, die sie mit Infrarotlaser bestrahlten: „Durch die Hitze der Laserstrahlung bricht die Molekülstruktur des Kunststoffs auf und hinterlässt vor allem Kohlenstoff“, erklärt Emil Mamleyev vom IMT. „So können wir die Kunststofffolien gezielt lokal erhitzen und präzise Strukturen beliebiger Form schreiben.“ Der Kohlenstoff erreicht dabei eine so gute Qualität, dass er als Teil der Elektrode im fertigen Sensor bereits extrem geringe Mengen Ammoniak im Urin erfassen kann. „Dadurch können wir hochempfindliche, flexible und robuste Harnstoffsensoren aus kostengünstigen Kunststofffolien herstellen.“ Neben der biomedizinischen Technik eignet sich diese Fertigungstechnik auch zur Herstellung verschiedener anderer kohlenstoffbasierter flexibler Geräte, beispielsweise für Energiespeicheranwendungen. (swe)

Mehr Information:
nature.com/articles/s41528-018-0047-8#Sec2


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Nanotechnologie: Designoptimierung von Wirkstoffen

Wirkstoffe binden sich im menschlichen Körper an Proteine - je stärker sie das tun, umso besser ist ihre Wirksamkeit. Das spiegelt sich in großen Bindungsenergie-Anteilen in Wirkstoff-Protein-Systemen („Gast-Wirt-Systemen“) wieder. Zum besseren Verständnis dieser komplizierten Systeme hat ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des KIT diese Wechselwirkungen mit einem einfachen Modellsystem zwischen Edelgasen und dem Wirt Cucurbituril (CB5) untersucht.

CB5 ist ein fassähnlicher Wirt mit entsprechendem Hohlraum, an den sich die symmetrischen Edelgase binden können und vollständig vom Lösungsmittel Wasser abgeschirmt sind. Neben den direkten Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Komponenten sind für die Designoptimierung auch die Energiebeiträge zu berücksichtigen, die für die Auflösung der Wirkstoffe in Wasser notwendig sind, bei der quasi erst ein Hohlraum für die Wirkstoffe geschaffen wird. Dabei stellte sich heraus, dass die Wechselwirkungen der Edelgase mit Wasser wesentlich stärker waren als die mit dem Wirt CB5. Es muss also Energie aufgewendet werden, um die Verbindung zwischen Wasser und Edelgas aufzubrechen, bevor es eine Verbindung mit dem Wirt eingehen kann. Trotz dieser energetisch ungünstigeren Situation binden sich die Edelgase an CB5. Somit sind Wirte, die bereits Hohlräume bieten, besonders geeignet – selbst dann, wenn die direkten Wirt-Gast-Wechselwirkungen eher schwach sind. (sfo)

Mehr Information:
nature.com/articles/s41557-018-0146-0


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Geophysik: Strukturen in extremer Tiefe

Heißes Gesteinsmaterial, das nach oben steigt, Erdplatten die sich aufeinander bewegen – tief im Inneren der Erde rührt sich einiges. Direkt über dem Erdkern haben Forscher des KIT nun geodynamische Prozesse in zwei bisher unerforschten Regionen unter dem Nordatlantik und Sibirien untersucht. „Wir konnten überraschend deutlich Strukturen in etwa 2 700 bis 2 900 Kilometern Tiefe feststellen, deren Wirkungen bis zur Erdoberfläche reichen“, sagt Joachim Ritter vom Geophysikalischen Institut des KIT.

Sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Michael Grund wertete große Mengen an Daten eines Messnetzwerks für seismische Wellen in Skandinavien aus. Diese Wellen breiten sich in der gesamten Erde aus und ihre Eigenschaften lassen Schlüsse auf deren Beschaffenheit bis in große Tiefen zu. „In den genannten Regionen konnten wir deutliche Anomalien feststellen, die auf sehr tief greifende Prozesse deuten“, so Grund. Unter Afrika und dem Nordatlantik breiten sich Erdbebenwellen deutlich langsamer aus, unter Sibirien hingegen schneller als im Mittel. Dort beobachteten die beiden Forscher nun auch Doppelbrechungen von seismischen Wellen, die auf Fließbewegungen und Deformationsprozesse über dem Erdkern deuten. Diese Wellenphänomene treten in über 2 700 Kilometern Tiefe auf. „Die Beobachtung von Wellen verschiedener Erdbeben weltweit deutet darauf hin, dass die Wellen nicht durch Prozesse direkt unterhalb der Messstation beeinflusst werden, sondern von weitaus tiefer“, sagt Ritter. Die Folgerungen der Geophysiker sind also erste Indikatoren dafür, dass Strukturen tief im Erdinneren im Zusammenhang mit globalen Fließvorgängen eine Schlüsselrolle spielen. Ihre Ergebnisse haben Grund und Ritter in der Zeitschrift Geology veröffentlicht. (swe)

Mehr Information:
pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article/567988/widespread-seismic-anisotropy-in-earth-s-lowermost


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Chemie: Reaktive Metallorganische Verbindung gezähmt

Die Kombination aus Metallatomen mit Kohlenmonoxid beschäftigt die Chemie schon seit dem 19. Jahrhundert. Aus der reinen Grundlagenforschung heraus haben Carbonylkomplexe in der Vergangenheit schon oft Anwendung in der Katalyse gefunden, vielfach auch in großtechnischen Verfahren.

Umfangreiche Forschungsarbeiten haben gezeigt, dass weit mehr Carbonylkomplexe als die bisher isolierten existieren sollten. Darunter auch das Chromhexacarbonyl-Radikalkation, das von dem seit Dekaden bekannten neutralen Chromhexacarbonyl abgeleitet ist und das „nur“ über ein Elektron weniger verfügt. Dieses sehr reaktive, sogenannte Metalloradikal wurde bis dato als ein bei Raumtemperatur und Normaldruck unzugängliches Molekül eingestuft. Ein Team um die Chemiker Ingo Krossing von der Universität Freiburg und Frank Breher vom KIT konnte nun dieses Chromhexacarbonyl-Radikalkation synthetisieren, in kristalliner, unter Standardbedingungen stabiler Form isolieren und vollständig charakterisieren. Zwar muss dazu unter Ausschluss von Luftsauerstoff und Feuchtigkeit gearbeitet werden, allerdings können nun Standard-Laborgeräte und gängige Lösungsmittel verwendet werden, wodurch das Verfahren in allen chemischen Laboren anwendbar und damit sehr viel breiter einsetzbar ist als zuvor. Ihre Ergebnisse präsentieren die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Communications. (rli)

Mehr Information:
nature.com/articles/s41467-019-08517-2


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Experte des Monats
Menschzentrierte Digitalisierung: Coaching per Smartphone, Kundensupport durch Chatbots, Automatisierung von Arbeitsabläufen - Die Digitalisierung von Wirtschaft und Gesellschaft auf Basis sich rasant entwickelnder Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) schreitet schnell voran. „Als Wirtschaftsinformatiker geht es mir darum, an der Schnittstelle zwischen Informatik, Wirtschaft und Gesellschaft menschzentrierte interaktive intelligente Systeme zu gestalten“, erklärt Alexander Mädche vom Institut für Informationswirtschaft und Marketing des KIT. (kes)  Mehr Information: sek.kit.edu/kit_experten_maedche.php


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Gründer des Monats
Objekterkennung: Damit autonome Fahrzeuge das Geschehen im Blickfeld in der Realität sicher erkennen, lernen sie zunächst virtuell mit einer großen Menge an Bild- und Videomaterial. Mit großem menschlichem Arbeitsaufwand wird dieses aufgearbeitet: Fußgänger, Radfahrer, Autos und Straßenschilder werden „maschinenlesbar“ gemacht. Das Start-up understand.ai, mitgegründet vom KIT-Alumnus Philip Kessler, bringt Künstliche Intelligenz in diesen Prozess mit ein: Die Kombination aus selbstlernenden Algorithmen und menschlicher Intelligenz macht die Kategorisierung der Objekte drei Mal schneller und zudem präziser. (kes) Mehr Information: kit-gruendernews.de/gruender-des-monats-understand-ai


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Tipps und Termine
Mittwoch, 13. März 2019, Karlsruhe
Wissenschaftswettbewerb „FameLab“
FameLab ist der globale Wettbewerb für Wissenschaftskommunikation.  Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissenschaftler bringen in über 20 Ländern unter dem Motto „Talking Science“ ihre Forschung mit Witz und Kreativität vom Labor auf die Bühne. In Karlsruhe findet der Regionalentscheid für Südwestdeutschland statt – junge Forscherinnen und Forscher sind zur Teilnahme eingeladen.
Ort: Kulturzentrum Tollhaus, Alter Schlachthof 35.
karlsruhe.de/b2/wissenschaft_bildung/wissenschaftsbuero/projekte_wb/famelab

Donnerstag, 14. März 2019, Karlsruhe
Symposium „Baustoffe und Bauwerkserhaltung“
Zum 15. Mal treffen sich Fachleute aus der Baubranche zum Symposium in Karlsruhe. Die Veranstaltung am KIT beschäftigt sich dieses Jahr mit dem Thema „Ressourceneffizienter Beton – Zukunftsstrategien für Baustoffe und Baupraxis“. Neben Thomas Hirth, Vizepräsident für Innovation und Internationales des KIT, tragen Frank Dehn, Christoph Hilgers, Jack Moffatt und Dominic Steuer vom KIT vor.
Ort: Campus Süd des KIT, Gebäude 11.40, Tulla-Hörsaal, Englerstraße 11; Zeit: 8:15 Uhr.

Donnerstag, 21. März, bis Samstag, 23. März 2019, Karlsruhe
Kongress „Kinder bewegen“
Bewegung ist zentraler Bestandteil einer gesunden körperlichen und geistigen Entwicklung, insbesondere bei Kindern und Jugendlichen. Dennoch erreichen knapp drei Viertel der Kinder und Jugendlichen in Deutschland die WHO-Empfehlung für die tägliche körperliche Aktivität nicht. Die Expertenrunde am Samstag diskutiert rund um das Thema „Bedeutung von Aktivität und Fitness für die Persönlichkeitsentwicklung von Kindern und Jugendlichen“.
sport.kit.edu/kongress19

Montag, 25. März, bis Donnerstag, 28. März 2019, Karlsruhe
Frühlingstage der Nachhaltigkeit
Nachhaltige Entwicklung ist in aller Munde, jeder ist dafür! Aber was verbirgt sich hinter dehnbaren Begriffen wie „Nachhaltige Entwicklung“ und „Nachhaltigkeitsforschung“? Die Veranstaltung untersucht Beiträge zum Verständnis der Nachhaltigkeit technischer, sozialer und ökologischer Systeme. Im öffentlichen Abendvortrag spricht Uwe Schneidewind vom Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie zum Thema „Auf dem Weg zur Zukunftskunst. Akzeptanz nachhaltiger Entwicklung in der Gesellschaft“.
zak.kit.edu/fruehlingstage.php

Mittwoch, 27. März, bis Freitag, 29. März 2019, Stutensee-Blankenloch
Tagung „Umwelteinflüsse erfassen, simulieren, bewerten“
Die 48. Jahrestagung der Gesellschaft für Umweltsimulation widmet sich der Aufdeckung von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen, der Qualifikation von Erzeugnissen für gegebene Umweltbedingungen und der Optimierung einer umweltbezogenen Produktentwicklung. Tagungsleiter und Präsident der Gesellschaft ist Karl-Friedrich Ziegahn, der den Bereich IV „Natürliche und gebaute Umwelt“ am KIT leitet.
gus-ev.de/index.php

Dienstag, 9. April, Eggenstein-Leopoldshafen
Technologiegespräch „Materialinnovationen und Start-ups“
Gemeinsam mit dem BMBF und dem Netzwerk NanoMat veranstaltet das KIT ein Technologiegespräch, das die Chancen und Herausforderungen junger Unternehmen anhand von Beispielen aus der Materialforschung beleuchtet. Die Veranstaltung richtet sich an gründungswillige Materialforscherinnen und -forscher sowie an Personen aus Industrie und Wissenschaft, die sich mit dem Transfer von Forschungsergebnissen in die Praxis befassen.
Eine Registrierung ist erforderlich: werkstofftechnologien.de/veranstaltungen


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Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 9 300 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen.
Seine etwa 25 100 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen.


 
 
Kontakt:

Monika Landgraf
Leiterin Gesamtkommunikation
Pressesprecherin

Margarete Lehné
Stellvertretende Pressesprecherin

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Kaiserstraße 12
76131 Karlsruhe
Tel.: +49 721 608-21157
E-Mail: margarete.lehne@kit.edu

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