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KIT.kompakt - monatliche Pressenachrichten (Ausgabe 01/2021)
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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 freuen uns, wenn passende Nachrichten für Ihre redaktionelle Berichterstattung dabei sind. Gerne vermitteln wir Ihnen für weitere Informationen auch passende Ansprechpersonen. Über einen Beleg Ihrer Berichterstattung freuen wir uns.
Freundliche Grüße
Ihr Presseservice des KIT
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Corona-Tests: Erfindung aus dem KIT macht PCR-Methode mit Magnetpartikeln effizienter
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Der PCR-Test stellt die derzeit verlässlichste Methode dar, eine Infektion mit SARS-CoV-2 nachzuweisen. Dabei werden Bruchstücke der Erbsubstanz des Virus aufgespürt. Die im Abstrich enthaltene Erbsubstanz muss zunächst gereinigt und konzentriert werden. Für diese Aufreinigung verwenden die wirksamsten Verfahren speziell beschichtete Magnetpartikel. Eine Erfindung von Wissenschaftlern des KIT macht diese aufwendige Methode effizienter.
Entwickelt haben sie Matthias Franzreb und Jonas Wohlgemuth vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT. Bei ihrem Verfahren erfolgt die Manipulation der Partikel mit Metallnadeln, deren magnetische Anziehungskraft sich von außen an- und ausschalten lässt. Damit lassen sich die Partikel für den nächsten Aufreinigungsschritt in ein neues Gefäß transportieren, um dort durch rasche Rotation die DNA-Bruchstücke wieder zu verteilen – wie winzige Rührer. Der Prozess läuft schnell und vollautomatisch mit 96 Nadeln gleichzeitig ab. „Damit lässt sich in 30 Minuten die Erbsubstanz aus 96 Proben gewinnen“, erklärt Franzreb. „Ein Gerät kann also in 24 Stunden mehr als 4 000 Proben aufbereiten.“ Auf dem am KIT entwickelten Prinzip der automatisierten und parallelisierten Manipulation und Wiederverteilung von Magnetpartikeln basieren die weltweit genutzten Geräte der PerkinElmer chemagen Technologie GmbH zur Isolierung von Nukleinsäuren. Der Marktanteil dieser Systeme an Probenaufbereitungen für PCR-Corona-Tests liegt in Deutschland bei rund 25 Prozent, in anderen europäischen Ländern teilweise deutlich darüber. (or)
Bildunterschrift: Das Gerät der PerkinElmer chemagen Technologie GmbH basiert auf einem Patent des KIT zur Manipulation magnetischer Partikel. (Foto: IFG/KIT)
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Medizin: Nanoelektroden zur Behandlung von neurologischen Erkrankungen
Bei neurologischen Erkrankungen wie Parkinson hat die Tiefe Hirnstimulation (THS) Durchbrüche bei der Behandlung ermöglicht. Dabei wird eine Elektrode tief ins Gehirn implantiert, wodurch es einer unter der Haut liegenden Mikroelektronik möglich ist, gezielt elektrische Signale an den Ort der Elektrode zu senden. Diese unterbrechen das neurologische „Störfeuer“, das die Krankheit auslöst. Bisher erfordert das Einbringen der Elektroden jedoch einen chirurgischen Eingriff, der das Risiko von Blutungen und Infektionen birgt. Ein internationales Team, darunter eine Wissenschaftlerin des KIT, hat nun eine Methode entwickelt, bei der partikuläre Elektroden im Nanomaßstab injiziert und drahtlos gesteuert werden. Die Ergebnisse sind in Science Advances veröffentlicht.
Die Nanoelektroden bestehen aus einem Material, das magnetische in elektrische Signale umwandelt. Diese können mit dem Gehirn kommunizieren und seine Aktivitäten verändern. Gesteuert werden die Elektroden berührungsfrei über das Anlegen eines Magnetfeldes. „Wir konnten zeigen, dass sich die Hirnaktivität ähnlich wie bei der normalen THS verändert“, so Erstautorin Kristen L. Kozielski vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT. Im Versuch mit Mäusen zeigte sich, dass eine Stimulation durch die Nanoelektroden das Verhalten der Tiere beeinflussen konnte. „In unserer künftigen Arbeit hoffen wir, diese Nanoelektroden gezielt zur Linderung der Symptome der Parkinson-Krankheit oder auch bei der Behandlung von Rückenmarksverletzungen einsetzen zu können“, sagt Kozielski. (rli)
Weitere Informationen: advances.sciencemag.org/content/7/3/eabc4189
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Membrantechnologie: Trinkwasser aus der Filteranlage
Um in Entwicklungsländern mehr sauberes Trinkwasser bereitzustellen, könnten dezentrale batterielose, mit Photovoltaik betriebene Membranfilteranlagen helfen. Verschmutzungen und Ablagerungen wie Kalk an der Membran erhöhen jedoch den Energieverbrauch; zudem muss der Filter regelmäßig chemisch gereinigt werden. Wie effizient die Reinigung durch natürliche osmotische Rückspülung, eine physikalische Reinigungsmethode, ist, haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT untersucht. Die Studie ist im Journal of Membrane Science erschienen.
„Schwankt die Sonnenenergie in solchen mit Photovoltaik betriebenen Membranfilteranlagen, kann dies dazu führen, dass der Betriebsdruck niedriger ist als der osmotische Druck – das bedeutet, sauberes Wasser fließt durch die Membran zurück und entfernt die Ablagerungen von der Membranoberfläche in einem sehr kurzen, aber starken Prozess“, sagt Yang-Hui Cai vom Institute for Advanced Membrane Technology des KIT. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese Rückspülung als natürlicher Reinigungsprozess gut funktioniert.“ Mit der osmotischen Rückspülung ließen sich 30 bis 96 Prozent des Durchflusses wiederherstellen. Um den Reinigungsprozess als tägliche Wartungsmaßnahme einzuleiten, lohne es sich deshalb, auch an sonnigen Tagen die Pumpe für ein paar Minuten abzuschalten, sagt er. So ließen sich die Frequenz der chemischen Reinigung und somit die Wartungskosten verringern und potenziell die Lebensdauer der Membranfilteranlage verlängern. (swi)
Weitere Informationen: sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0376738820313740
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Autonome Fahrzeuge: Mehr Sicherheit durch KI-basierte Fahrzeugführung
Die Entwicklung von autonomen, also fahrerlosen Fahrzeugen macht stetige Fortschritte. Immer mehr Prototypen werden im Verkehr getestet. Dabei soll größtmögliche Sicherheit gewährleistet werden. Insbesondere im urbanen Umfeld ist dies aufgrund unübersichtlicher Bereiche sowie des hohen Verkehrsaufkommens eine große Herausforderung. Heutige Prototypen geraten dabei oft an die Grenze des Möglichen. Das Forschungsvorhaben „SafeADArchitect“, an dem das KIT beteiligt ist, hat das Ziel, Methoden und Ansätze zu entwickeln, um automatisierte Fahrzeuge über risikosensitive Echtzeitverfahren im städtischen Betrieb abzusichern.
Dabei soll das AD-System (Automated Driving) in seiner Gesamtheit betrachtet werden. Elementar ist hierfür die Erkennung von Fehlfunktionen der Fahrzeugplattform. „Die Ergebnisse werden dazu beitragen, die Entwicklung von Sicherheitskonzepten voranzutreiben und zu erleichtern“, sagt Michael Frey, Leiter der Forschungsgruppe Automatisierung am Institut für Fahrzeugsystemtechnik des KIT. Dazu wird an einem Deep-Learning-Diagnosesystem geforscht. Um die diesem System zugrunde liegenden Algorithmen mit Trainingsdaten zu füttern, wird eigens eine auf Künstlicher Intelligenz basierende Fahrzeugführung entworfen. Neben dem KIT sind Intel Deutschland GmbH, Schaeffler Technologies AG & Co. KG, FZI Forschungszentrum Informatik, ANavS GmbH, Ibeo Automotive Systems GmbH und Lake Fusion Technologies GmbH am Projekt beteiligt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unterstützt das Projekt, das KIT wird dabei mit rund 330 000 Euro gefördert. (jwa)
Weitere Informationen: fast.kit.edu/lff/Projekte_13973.php
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Materialforschung: Der nächste Schritt im 3-D-Druckverfahren
Per 3-D-Druck lassen sich Schicht für Schicht dreidimensionale Gegenstände erstellen; besondere Möglichkeiten bieten sich gerade beim Herstellen komplexer Objekte. Doch bislang eignet sich der 3-D-Druck noch nicht zur Produktion großer Strukturen mit vielen Poren im Submikrometerbereich. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT befassen sich nun mit neuen Methoden, die die Vorteile des 3-D-Drucks mit digitaler Lichtverarbeitung und Phasentrennung kombinieren. Über ihre Ergebnisse berichten sie in Nature Communications.
Eine poröse Struktur im Submikrometerbereich könnte sich so in makroskopische Objekte mit einzigartigen Eigenschaften überführen lassen, einschließlich Ähnlichkeiten mit biologischen Grenzflächen, Durchlässigkeit und extrem großer Oberfläche. „Das ist unter anderem für Adsorptions-, Trennungs-, Sensor- oder biomedizinische Anwendungen unerlässlich“, erläutert Pavel Levkin vom Institut für Biologische und Chemische Systeme des KIT, der zusammen mit Britta Nestler vom Institut für Angewandte Materialien und Martin Wegener vom Institut für Angewandte Physik des KIT in der aktuellen Veröffentlichung berichtet. „Neue Anwendungen werden so ermöglicht, die Funktionalität des Materials wird in den Nanobereich hinein erweitert, denn die Oberfläche ist sehr wichtig“, so Levkin. Die Forschenden demonstrieren im Exzellenzcluster 3D Matter Made to Order (3DMM2O) des KIT und der Universität Heidelberg die Möglichkeit, 3-D-Strukturen mit hochkomplexen Geometrien und Porengrößen von 100 Nanometern bis 1 000 Mikrometern zu erzeugen. (jwa)
Weitere Informationen: nature.com/articles/s41467-020-20498-1
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lookKIT: Im Fokus der aktuellen Ausgabe stehen Technik, Folgen und Visionen
Die heutige Gesellschaft ist auf Technik angewiesen – und darauf, dass diese sich ständig weiterentwickelt. Aufgabe der Wissenschaft ist es, technischen Visionen auf den Grund zu gehen und sie umzusetzen, Chancen und Risiken neuer Technologien einzuschätzen sowie Folgen bereits im Alltag eingesetzter Innovationen zu untersuchen. Am KIT forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in zahlreichen Disziplinen an Technologien und Konzepten, die den technischen und gesellschaftlichen Fortschritt antreiben. Die neue Ausgabe von lookKIT stellt einige dieser Projekte und Ansätze vor: von friedensstiftenden Maschinen über Climate Engineering-Strategien bis hin zum Begriff der Technikzukünfte. (ljö)
Weitere Informationen: sek.kit.edu/kit_magazin.php
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In-vitro-Fleisch – Visionen und Risiken: Die aktuelle Fleischproduktion sowie der wachsende Fleischkonsum verschärfen den Welthunger und haben negative Auswirkungen auf die Umwelt, die menschliche Gesundheit und das Wohl der Tiere. Mit der Frage, ob In-vitro-Fleisch, ein aus Muskelzellen gezüchtetes künstliches Fleisch, die Lösung sein könnte, befasst sich Silvia Woll vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse des KIT. „In-vitro-Fleisch könnte in Zukunft ein Teil der Lösung sein, aber sicher nur ein Ansatz unter vielen. Und ob das Laborfleisch hält, was es verspricht, lässt sich derzeit noch gar nicht sicher vorhersagen“, sagt Woll. Ihre Aufgabe sieht sie darin, als „neutrale wissenschaftliche Beobachterin“ Politik aber auch Gesellschaft über die Vor- und Nachteile von neuen Technologien zu informieren, um so eine fundierte Meinungsbildung zu ermöglichen. (che)
Weitere Informationen: sek.kit.edu/kit-experten_silvia-woll.php
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Prozess- und Struktursimulation: Durch eine virtuelle Prozesskette unterstützt das Unternehmen SIMUTENCE, eine Ausgründung aus dem KIT, Konstrukteure und Hersteller von Bauteilen aus Faserverbunden bei der Entwicklung und Optimierung von Leichtbaulösungen und Herstellprozessen. Bisher konnte die Belastbarkeit von Bauteilen aus faserverstärkten Kunststoffen ebenso wie die Herstellbarkeit in Produktionsprozessen nicht ausreichend genau simuliert werden, was eine unzureichende Materialausnutzung und hohe Entwicklungskosten mit sich brachte. Um diesem Problem zu begegnen, bietet SIMUTENCE Dienstleistungen an und entwickelt Software für virtuelle Prozess- und Struktursimulationen, mit der entsprechende Bauteile zuverlässig konzipiert und die Herstellungsprozesse optimiert werden können. (che)
Weitere Informationen: simutence.de
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Aktuelle Presseinformationen
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Donnerstag, 11. März 2021, online
17. Symposium Baustoffe und Bauwerkserhaltung: Dauerhafter Beton – Richtige Nachbehandlung
Das Web-Symposium wird veranstaltet vom Institut für Massivbau und Baustofftechnologie des KIT in Kooperation mit der InformationsZentrum Beton GmbH (IZB) und dem Verband Deutscher Betoningenieure (VDB). Ziel dieses Symposiums ist, einen Überblick über verschiedene Methoden und Ansätze der Nachbehandlung zu geben, mithilfe derer den heutigen Ansprüchen an den Betonbau begegnet werden kann.
imb.kit.edu/bt/379.php
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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 24 400 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. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.
Kontakt:
Monika Landgraf
Leiterin Gesamtkommunikation
Pressesprecherin
Margarete Lehné
Stellvertretende Pressesprecherin
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Kaiserstraße 12
76131 Karlsruhe
Tel.: +49 721 608-41157
E-Mail: margarete.lehne@kit.edu
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