Neue Sicht aufs Licht - Universität Oldenburg
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Wissen und Innovationen 2 | 2019
aus niedersächsischen
Hochschulen
Technologie-Informationen
Neue Sicht aufs Licht
Biophotonik Analytik Quantenforschung Lasertechnik
Maßgeschneidertes Durchblick mit Neue Erkenntnisse und Schutz vor
Licht für Pflanzen Infrarot-Sensoren Anwendungen Produktpiraterie
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2 Inhalt und Vorwort
Inhalt Liebe Leserinnen und Leser,
optische Technologien sind Innovationstreiber, als Querschnitts- und
Technologie-Informationen 2 | 2019
Schlüsseltechnologien für alle wirtschaftlich und gesellschaftlich relevanten
Neue Sicht aufs Licht
Bereiche prägend. Deutsche Unternehmen sind in Bereichen wie Lasertechnik,
Mikroskopie, Sensorik, Bildgebung und Beleuchtung Weltmarktführer.
3 Aktuelles
In der modernen Produktionstechnik sind Laser als universelle Werkzeuge
4 Was bedeutet Licht für Sie? zum Schneiden, Schweißen, 3D-Drucken, zur Mikro- oder Nanobearbeitung
unverzichtbar, von der Fertigung hochintegrierter Computerchips bis hin
6 PhoenixD – digitale Technologien
zu ganzen Kreuzfahrtriesen. Optische Sensorik und Bilderfassung ist für
revolutionieren die Optik
Industrie 4.0 so wichtig wie für die Mobilität mit autonomen Fahrsystemen.
8 Blaulicht – Vorfahrt für wertvolle Optische Technologien bilden die Brücke zwischen der realen und der digitalen
Pflanzenstoffe Welt und ermöglichen den rasanten Zuwachs der Datenraten im Internet.
In der Medizin lassen sich durch Lasereinsatz präzise Operationen minimalin-
9 Biophotonik – maßgeschneidertes
vasiv durchführen, neuartige optische Sensoren beschleunigen die Diagnostik.
Licht für Pflanzen
10 Digitalisierung im Stall Niedersächsische exzellente Forschung und Entwicklung trägt signifikant zu den
entlastet Tierwirte Innovationen bei, wie die Beiträge in diesem Heft zeigen. Der Querschnitt reicht
von Lebenswissenschaften, optischer Messtechnik, Informations- und Sicher-
11 Unkraut mittels Lasertechnik
heitstechnik, Produktionstechnik, Quantentechnologien und photonischen
bekämpfen
Schaltelementen bis hin zur motivierenden Nachwuchsförderung mit Lego®.
12 Durchblick mit Infrarot-Sensoren
Lassen Sie sich von den spannenden und innovativen Forschungsprojekten
13 Mehr sehen in der Mikroskopie
der niedersächsischen Forscherinnen und Forscher inspirieren. Erhalten Sie im
14 Defekte an Oberflächen – Jahrhundert des Photons einen Einblick in die Zukunftslabore zur nachhaltigen
dem Licht entgeht nichts Entwicklung Niedersachsens und unserer Gesellschaft.
15 Kommunizierende Scheinwerfer
für sicheren Straßenverkehr
16 Quantenforschung für neue
Erkenntnisse und Anwendungen
18 Glasfasern als Lichtleiter
und Strahlquelle
Prof. Dr. Walter Neu
19 Transistor der Zukunft – Institut für Laser und Optik (ILO)
ultraschnell dank Licht Hochschule Emden/Leer
20 Schneller als der Wind –
Winzige Windwirbel exakt gemessen
Turbulenzen im Laserlicht
22 Multifunktionale
optische Materialien
22 Optik für alle
23 Lasergeschriebenes Hologramm
schützt vor Produktpiraterie
24 Ultrakurzpulslaser –
hochpräzise und extrem schnell
25 Mit dem Laser zur
gewünschten Oberfläche
Die Technologietransferstellen der niedersächsischen
26 Laserbearbeitung ist Kopfsache Hochschulen erleichtern insbesondere kleinen und mittleren
Unternehmen sowie öffentlichen Einrichtungen den Zugang
zu Forschung und Entwicklung. Bei Fragen oder Kontakt-
wünschen wenden Sie sich bitte an die Transferstelle in Ihrer
Region. Ihre Ansprechpartner finden Sie auf der vorletzten
Seite der Technologie-Informationen.
Aktuelles 3
Aktuelles
Sicherer Datenaustausch Expertenforum
Veranstaltung für die Wirtschaft Produktionsplanung und -steuerung
Den sicheren Datenaustausch zwischen Unternehmen Wie sieht die Produktionsplanung und -steuerung der
entlang von Wertschöpfungsketten zu unterstützen ist das Ziel Zukunft aus? Welchen Nutzen bringt die Digitalisierung
des International Data Space (IDS). Am 19. Juni 2019 stellt die für die Produktion? Wie können sich produzierende
TIB – Leibniz-Informationszentrum Technik und Naturwissen- Unternehmen auf zukünftige Anforderungen vorbereiten?
schaften gemeinsam mit dem Forschungszentrum L3S den IDS Diese und weitere Fragen stehen im Vordergrund des
in Hannover vor. Mit dem Vorstand Boris Otto ist die Interna- Expertenforums Produktionsplanung und -steuerung
tional Data Spaces Association vertreten, die als Verein aus am 14. Mai 2019 in Frankfurt am Main.
einem Forschungsprojekt von zwölf Instituten der Fraunhofer-
Gesellschaft hervorging. Veranstaltet wird das Expertenforum vom Institut für
Fabrikanlagen und Logistik der Leibniz Universität Hannover
Es wird Impulsvorträge aus Wirtschaft und Forschung zum in Zusammenarbeit mit dem Werkzeugmaschinenlabor WZL
Thema sicherer Datenaustausch geben. Auf der Veranstaltung der RWTH Aachen, der Fraunhofer-Einrichtung IGCV und
wird auch der Niedersächsische IDS Hub gegründet, der dazu dem Institut für Produktionsmanagement und -technik der
dienen soll, Best-Practices auszutauschen, an konkreten Technischen Universität Hamburg. Durch Impulsvorträge
Anwendungsfällen zu arbeiten, Trainings anzubieten und führender Forschungsinstitute sowie hochrangiger Industrie-
den IDS als Basis für neue KI-Anwendungen zu nutzen. vertreter werden Trends, Best Practices und Erfolgsfaktoren
aufgezeigt. Interessierte sind herzlich eingeladen, das
www.l3s.de/de/events Expertenforum zum Erfahrungs- und Wissensaustausch
und zur Vernetzung zu nutzen.
www.expertenforum-pps.de
Elektromagnetisches Spektrum
Quelle: https://commons.wikimedia.org/wiki; Grafik: Horst Frank / Phrood / Anony; CC BY-SA 3.0
4 Prolog
»Licht bedeutet
Leben«
Prof. Dr. Jutta Papenbrock
Institut für Botanik
Was Leibniz Universität Hannover
bedeutet
Licht für
Sie?
»Licht bedeutet
Energie«
Prof. Dr. Michael Wark
Lehrstuhl Technische Chemie
Universität Oldenburg
»Licht bedeutet
Sehen«
Prof. Dr.-Ing. Roland Lachmayer
Institut für Produktentwicklung und Gerätebau
Leibniz Universität Hannover
Prolog 5
»Licht bedeutet
Länge«
Prof. Dr.-Ing. Rainer Tutsch
Institut für Produktionsmesstechnik
Technische Universität Braunschweig
»Licht bedeutet
Arbeit«
Prof. Dr. Alexander Egner
Laser-Laboratorium Göttingen e. V.
»Licht bedeutet
Information«
Prof. Dr. Mirco Imlau
Fachbereich Physik
Universität Osnabrück
6 Forschung
enixD Vision 1
Adaptive PhoenixD-Brille als interaktive Sehhilfe,
die sich situativ anpasst
PhoenixD — digitale Technologien
P
Digitale Optik ersetzt die alte analoge Optik – räzisionsoptische Systeme erfüllen vielfältigste
Funktionen in den Lebenswissenschaften, der
das ist das Ziel des Forschungsverbundes Produktionstechnik, der Sensorik und im täg-
PhoenixD. Die Exzellenzstrategie von Bund lichen Leben. »Solche Systeme werden in komplexen
mehrstufigen Prozessen hergestellt und betrieben«,
und Ländern unterstützt Forscherinnen und berichtet Dr. Sebastian Dikty von der Leibniz
Forscher aus fünf niedersächsischen Universität Hannover. »Sie beruhen dabei häufig
auf Handarbeit und mühevoller Justage. Die damit
Einrichtungen mit einer Millionenförderung verbundenen hohen Kosten verhindern ihren
ab 2019 für sieben Jahre. Optische Präzisions- massenhaften Einsatz.« Mit den Schlagworten
Industrie 4.0 und additive Fertigung vollzieht sich
geräte aus kostengünstiger additiver Fertigung bereits in der modernen Produktion der Wandel zur
sollen individuelle Lösungen für vielfältige IT-vernetzten, smarten und individualisierten Ferti-
gung zu geringen Kosten. Können digitale Tech-
gesellschaftliche Probleme liefern. niken auch die Entwicklung und Herstellung von
Präzisionsoptik revolutionieren?
Die Optik der Zukunft
Antworten liefert der Exzellenzcluster PhoenixD
(Photonics, Optics and Engineering – Innovation
Across Disciplines). Kooperationspartner der Leibniz
Universität Hannover sind die Technische Universität
Braunschweig, das Laser Zentrum Hannover e. V.,
das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
(Albert-Einstein-Institut) sowie die Physikalisch-
Technische Bundesanstalt. »Jetzt ist der Moment,
die typische alte analoge Optik durch eine neue
digitale Optik zu ersetzen«, ist Prof. Uwe Morgner
überzeugt. Als Sprecher des Exzellenzclusters sieht
er hierfür drei Voraussetzungen erfüllt: »Steigende
Rechnerleistungen und künstliche Intelligenz haben
die Simulationskapazitäten vervielfacht. Zudem
können der 3D-Druck und neue Materialien den
Werkstoff Glas ersetzen.«
Forschung 7
Vision 2 Vision 3
Point-of-Care-Diagnose-System für medizinische PhoenixD-System zur Kommunikation von
Diagnosen oder Umweltanalysen Fahrzeugen untereinander und mit Fußgängern
revolutionieren die Optik
An der Optik der Zukunft arbeiten Expertinnen und anspruchsvolle Prozesse steuern, um selbstlernende
Experten unterschiedlicher Disziplinen zusammen. und -optimierende Elemente in die Prozessketten zu
»Physiker, Mathematiker und Informatiker erstellen integrieren. »Auch auf dem Gebiet der Lichttechnik
zum Beispiel vor der Fertigung exakte Betriebs- sowie der Umwelt- und Arbeitssicherheit wird
vorhersagen für optische Systeme«, erläutert Uwe PhoenixD mit adaptiven, flexiblen und individuellen
Morgner. Maschinenbauer und Elektrotechniker Lichtwerkzeugen neue Entwicklungen anregen«,
entwickeln Produktionsmaschinen und erreichen stellt Sebastian Dikty in Aussicht. Beispiele sind
mit neuen Fertigungs- und Messtechniken feinste hochdynamische Beleuchtungssysteme für Fahr-
optische Strukturen. Chemiker und Materialwissen- zeuge (siehe Seite 15) sowie integrierte optische
schaftler schließlich entwickeln hybride, transpa- Sensoren und Kommunikationssysteme im Automo-
rente und druckfähige Materialien. »So können tive-Bereich, 3D-Projektoren mit Mensch-Maschine-
wir optische Systeme realisieren, die individuell Interaktion sowie Gas- und Flüssigkeitssensoren.
anpassbar sind und neue Anwendungsgebiete
erschließen«, fasst der Sprecher zusammen. Vielleicht werden Landwirte bald imstande sein,
Unkraut ohne Herbizide effizient zu bekämpfen –
Optische Sensoren und Lichtwerkzeuge mit Hilfe eines schnellen und hochpräzisen Mehr-
strahl-Laserscanning-Systems, das Unkraut optisch
In den Visionen von PhoenixD werden die digita- von Nutzpflanzen unterscheidet (siehe Seite 11).
lisierten, adaptiven Optiken in alle Lebensbereiche Darüber hinaus stehen wissenschaftliche Optiken
hineinwirken. Die Vielzahl optischer Elemente und im Fokus von PhoenixD, etwa hochauflösende
Materialien, die bereits für Spezialanwendungen Mikroskopie und Bildgebung. Schließlich wird
entwickelt wurden, dienen hierbei als Ausgangs- PhoenixD kompakte Laserlichtquellen, aktive und
punkt. Sebastian Dikty, Geschäftsführer des Exzel- passive mikro- und nanooptische Komponenten
lenzclusters, gibt einen Überblick über die mög- sowie präzise Lasermessgeräte wie Interferometer
lichen Anwendungen: »Zum Beispiel könnte in oder resonante Strukturen anbieten. Diese Systeme
Zukunft die individuelle Brille samt Gestell und sollen disziplinübergreifend einsetzbar sein und
Optik aus dem 3D-Drucker kommen und sich im Vergleich zu derzeitigen Geräten eine deutlich
situativ an Sehschärfe oder Helligkeit anpassen«, reduzierte Komplexität und potenziell neue
führt er aus. Ebenso könnten leichte und kosten- Funktionalitäten aufweisen.
Pho
günstige optische Sensorsysteme einen Tropfen
Blut oder Proben aus der Umwelt schnell und
präzise vor Ort analysieren. Exzellenzcluster PhoenixD
Leibniz Universität Hannover
Für die industrielle Fertigung planen die Forsche- Telefon 0511 762-14770
rinnen und Forscher neuartige Messkonzepte. office@phoenixd.uni-hannover.de
Optische Präzisionsmessgeräte sollen dabei www.phoenixd.uni-hannover.de
8 Forschung
Quinoa-Sprossen reagieren auf Licht verschiedener Die massenspektrometrische Analyse von Quinoa-Extrakten zeigt,
Wellenlängen mit verändertem Wachstum und der dass sich der Gehalt an Inhaltsstoffen je nach Lichteinwirkung erhöhen lässt.
Bildung unterschiedlicher Pflanzenstoffe.
Blaulicht — Vorfahrt
für wertvolle Pflanzenstoffe
Pflanzen enthalten eine Vielzahl von wertvollen Inhaltsstoffen,
die unsere Gesundheit fördern. Die Konzentration dieser Substanzen hängt
von den Umweltbedingungen ab, zum Beispiel von den Lichtverhältnissen.
Das Institut für Botanik der Leibniz Universität Hannover untersucht, wie sich
der Gehalt gesundheitsfördernder Pflanzenstoffe durch verschiedene
Lichtqualitäten erhöhen lässt.
L
icht reguliert nicht nur das Größenwachstum Die Ergebnisse zeigen, dass blaues Licht die
der Pflanzen, sondern ihren gesamten Stoff- Gesamtkonzentration von Flavonoiden im Vergleich
wechsel. Damit beeinflusst Licht auch die zu rotem und weißem Licht erhöht hat. Vor allem
Bildung sekundärer Stoffwechselprodukte, die für Quercetin-konjugierte Verbindungen wurden durch
die Pflanzen meist nicht lebensnotwendig sind. die unterschiedlichen Lichtwellenlängen beeinflusst.
Viele dieser Substanzen sind aber wertvoll für Das deutet auf einen bestimmten Biosynthese-Weg
unsere Gesundheit. So wirken Flavonoide und hin, der auf Blaulicht reagiert. Die Gesamtkonzen-
phenolische Verbindungen stark antioxidativ. tration der phenolischen Substanzen änderte sich
Quinoa (Chenopodium quinoa) etwa zeichnet sich im Vergleich zur Kontrolle nicht durch das blaue
durch eine hohe Konzentration dieser Verbin- Licht. Eine einzelne Phenolsäure, die Ferulasäure,
dungen und einen hohen Proteingehalt im Samen wurde nur bei Blaulicht gebildet, das Wachstum
aus. Zudem ist die stresstolerante Pflanzenart aus der Pflanzen ging hingegen leicht zurück. Das
den Anden an extreme Umweltbedingungen ange- Forschungsteam arbeitet daran, die Erhöhung von
passt und hat somit weltweit Interesse als Nutz- gesundheitsfördernden Substanzen durch Kultivie-
pflanze gefunden. rung unter bestimmten Lichtbedingungen noch
Bei der LED- besser zu verstehen und in die Praxis umzusetzen.
Beleuchtung in Die Botanikerinnen und Botaniker untersuchen in
der Klimakammer Hannover die Auswirkungen verschiedener Licht- Leibniz Universität Hannover
am Institut für Botanik wellenlängen auf das Wachstum und die Konzen- Institut für Botanik
lassen sich die Wellen- tration der sekundären Pflanzenstoffe von Quinoa- Sebastian Pinzón González, M. Sc.
längen und Intensität Sprossen. Dazu ziehen sie Quinoa-Setzlinge in Dr. Yvana Glasenapp
variieren. Petrischalen unter blauem, rotem und weißem Licht Prof. Dr. Jutta Papenbrock
mit verschiedenen Intensitäten und Einwirkzeiten papenbrock@botanik.uni-hannover.de
an. Nach sechs Tagen identifizieren sie einzelne www.botanik.uni-hannover.de
Verbindungen mittels Massenspektrometrie, ana-
lysieren das Wachstum der Setzlinge, die Konzen-
tration an phenolischen Säuren, Flavonoiden und
die antioxidative Kapazität.
Forschung 9
Biophotonik —
maßgeschneidertes Licht für Pflanzen
Dynamisch steuerbare LED-Belichtungsmodule für In-vitro-Kulturen
P
flanzen erhalten die Energie für Wachstums- ein flexibles Belichtungsmodul entwickelt. Mit
und Stoffwechselprozesse durch Licht. Gleich- diesem speziell für die In-vitro-Kultur konzipierten
zeitig dient Licht über spezifische Fotorezep- LED-Forschungsmodul können die Forschenden
toren als Informationsquelle und hat Einfluss auf Effekte von Licht in verschiedenen Entwicklungs-
wichtige Entwicklungsprozesse wie Blüteninduk- phasen der Pflanzen untersuchen und unterschied-
tion, Spross- und Wurzelbildung sowie die Kom- liche Lichtcharakteristika dynamisch steuern. Unter
position von Inhaltsstoffen. In der pflanzlichen Berücksichtigung biophotonischer Aspekte höherer
In-vitro-Kultur jedoch bleibt insbesondere der phy- Pflanzen wählten sie die Emissionspeaks der LEDs
siologische Effekt der Lichtqualität oft ungenutzt. anhand der Absorptionsmaxima der pflanzlichen
Fotorezeptoren aus.
Durch die In-vitro-Kulturtechniken werden beispiels-
weise qualitativ hochwertige Pflanzen wie Orchi- Das Modul ist Mikrocontroller-basiert und steuert
deen, Gehölze und Aquariumspflanzen vegetativ drahtlos über eine Webseite Lichtintensität, Licht-
vermehrt oder isolierte Pflanzenzellen regenerieren qualität, Photoperiode und Frequenz der LEDs.
auf künstlichem Nährmedium zu vollständigen Als weitere Besonderheiten verfügen die Proto-
Pflanzen. Notwendige Wachstumsprozesse werden typen über aktive Wasserkühlung, Temperatur-
vorrangig durch Zugabe von Pflanzenhormonen sensoren, homogene Lichtintensitätsverteilung
ausgelöst. Allerdings gibt es dadurch auch nach- sowie UV-B-LEDs. Das Institut hat eine Anschluss-
teilige Effekte wie genetische, epigenetische oder förderung des Gesamtprojekts zur Weiterentwick-
morphologische Veränderungen. Am Institut für lung der Prototypen bereits beantragt.
Gartenbauliche Produktionssysteme der Leibniz
Universität Hannover sehen die Forschenden vor Leibniz Universität Hannover
allem im Faktor Licht einen innovativen Ansatz, Institut für Gartenbauliche Produktionssysteme
um pflanzliche Entwicklungsprozesse zu steuern. Hans Bethge, B. Sc.
Prof. Dr. Traud Winkelmann
Im Gegensatz zu Leuchtstoffröhren mit konstantem bethge@baum.uni-hannover.de
Emissionsspektrum, die pflanzliche Kulturen übli-
cherweise belichten, stellen LEDs eine immer effi-
zienter werdende Alternative dar. Aus diesem
Grund hat Masterstudent Hans Bethge an der
Universität Hannover, unter der Leitung von
Prof. Traud Winkelmann und in Kooperation mit
Prof. Thomas Rath von der Hochschule Osnabrück,
Mit dem eigens entwickelten Webinterface lassen Die im Mehretagensystem installierten LED-Belichtungsmodule sind
sich die Belichtungsmodule ansteuern. speziell für die pflanzliche In-vitro Kultur entwickelt worden. Sie zeichnen sich
durch variable Lichtintensität, dynamisch einstellbare spezifische Emissionsspektren
und homogene Verteilung der Lichtintensität aus.
10 Praxis
Digitalisierung im Stall
entlastet Tierwirte
In der Landwirtschaft liegen große
Potenziale für den Einsatz digitaler Technologien.
Das Start-up corvitac entwickelt mit dem
Pig-Counter ein vollautomatisches Zählsystem,
Timo Kaiser (von links), Yiyun Luo und Manuel Sprehe
das Tierwirte bei ihren aufwändigen entwickeln mit ihrem Start-up corvitac ein automatisiertes
Dokumentationsaufgaben unterstützt. Kamerasystem, um Tierwirte von Bürokratie zu entlasten.
Von Christina Amrhein-Bläser
Z
unehmende Dokumentations- und Organisa- unterstützt. Zusammen mit Timo Kaiser und Yiyun
tionsaufgaben haben die Arbeit in der Land- Luo entwickelt Maschinenbauingenieur Manuel
wirtschaft stark verändert. Existenzgründer Sprehe ein Kamerasystem, welches Tiere automa-
Manuel Sprehe weiß, wovon er spricht: »Als Kind tisiert erfassen und damit Kontroll- und Dokumen-
habe ich meinem Vater regelmäßig bei seiner Arbeit tationsaufgaben deutlich beschleunigen und
als Ackerbauer und Schweinehalter geholfen und vereinfachen soll. Der Pig-Counter soll Schweine
ihn zum Beispiel bei der Tierkontrolle unterstützt. während der Umstallung fehlerfrei zählen, die
Heute findet ein Großteil seiner Arbeit im Büro Tieranzahl speichern und an entsprechende Melde-
statt.« Viele Landwirte könnten mittlerweile nur datenbanken übermitteln sowie den Tierzustand
noch selten im Stall sein, erzählt Manuel Sprehe. belegen. Die Daten lassen sich automatisch im
Dadurch ginge viel Erfahrung und Zeit verloren, um betriebsinternen Qualitätsmanagementsystem
etwa frühzeitig Krankheiten oder andere Probleme speichern. Zusätzliche Hardware oder RFID-
bei den Tieren zu erkennen. »Mit unserem Unter- Ohrmarken sind nicht notwendig.
nehmen wollen wir die Bürokratie soweit automa-
tisieren, dass mein Vater, seine Kolleginnen und »Die Schweine leben je nach Altersstufe in
Kollegen wieder mehr Zeit haben, sich selbst um speziell dafür ausgelegten Sauen-, Ferkel- oder
die Tiere zu kümmern.« Mastställen«, erläutert Manuel Sprehe. »Üblicher-
weise werden die Tiere mindestens zweimal pro
Das Gründungsteam corvitac wird vom Mecha- Umstallung durch das Personal von Hand gezählt.«
tronik-Zentrum Hannover der Leibniz Universität Selbst in kleinen Betrieben sei die Zählung zeitauf-
betreut und von einem EXIST-Gründerstipendium wändig, »und jeder Fehler führt zu einem Umsatz-
verlust, wenn der Landwirt die Tiere verkauft«,
berichtet er. Der automatisierte Zählprozess entlaste
nicht nur den Landwirt zeitlich und finanziell,
sondern reduziere auch den Stress für das Tier.
»Mit dem gesicherten Videomaterial kann der
Landwirt zudem die Haltungsqualität transparent
gegenüber der Gesellschaft nachweisen«, hebt der
Gründer einen weiteren Vorteil hervor. Sein Team
plant nun, das System im Markt zu testen und um
zusätzliche Module zu erweitern.
corvitac
c/o MZH – Mechatronik-Zentrum Hannover
Leibniz Universität Hannover
Manuel Sprehe, M. Sc.
team@corvitac.de
www.corvitac.comForschung 15
11
Unkraut mittels
Lasertechnik bekämpfen
Das Laser Zentrum Hannover (LZH) arbeitet an einem
neuen Ansatz für die Unkrautbekämpfung in der Pflanzen-
produktion. Statt Herbizide nach dem Gießkannenprinzip Wenn hochdosierte
auszubringen, wollen die Wissenschaftlerinnen und Laserstrahlung die
Wachstumszentren
Wissenschaftler Unkraut physikalisch bekämpfen: Ein Laser unerwünschter Beikräuter
soll das empfindliche Wachstumszentrum »veröden«. verödet, stirbt die Pflanze
(Mitte, nach 14 Tagen) oder
wächst schwächer (rechts).
D
as Ziel des neuen Projektes ist es, weniger Nachteile und auch die Lebensmittelproduktion Links ist eine unbehandelte
Herbizide auf Anbauflächen auszubringen wäre chemisch weniger belastet. Kontrollpflanze.
und die wuchshemmenden Beikräuter
selektiv durch Laserstrahlung zu entfernen. Dazu Die laserbasierte Unkrautbekämpfung wurde bereits
entwickelt die Gruppe Food und Farming einen in mehreren Publikationen erfolgreich demonstriert.
Demonstrator mit einem robusten, feldtauglichen Notwendig für einen großflächigen Einsatz sind
und sicheren Lasersystem. Zusammen mit verfüg- jedoch noch robustere Laserstrahlquellen sowie eine
baren Sensor- und Fahrzeugsystemen soll ein möglichst fehlerfreie optische Beikrauterkennung
solcher Demonstrator in naher Zukunft über die unter schwierigen Umwelt- und Bodenbedingungen.
Anbauflächen fahren und Beikraut anhand der Das LZH forscht im Exzellenzcluster PhoenixD an der
Merkmale Form und Absorptionsspektrum optisch Entwicklung neuer, stabiler und preiswerter Optiken,
erkennen. Um ungewollte Pflanzen präzise veröden die einen wartungsarmen und störungsfreien
zu können, ermitteln die Forschenden im weiteren Normalbetrieb ermöglichen.
Projektverlauf die notwendige Bestrahlungsdauer
und -dosis zur letalen Schädigung der Pflanzen. Die Deutsche Bundesstiftung Umwelt fördert das
Projekt »NUBELA«. Als Kooperationspartner betei-
Je nach eingesetztem Laser, verwendeter Para- ligen sich die Firmen LASER on demand aus Nieder-
meter und zu schädigender Pflanzenart können sachsen und IPG Laser aus Nordrhein-Westfalen.
die Bestrahlungsdauern erheblich variieren. Unter- Das Projektteam will die Technologie möglichst
schiedliche Veröffentlichungen zeigen notwendige schnell zur Marktreife bringen.
Bestrahlungen von wenigen Millisekunden bis zu
einer Sekunde. Der laserbasierte Ansatz hat gleich Laser Zentrum Hannover e.V.
mehrere Vorteile: Pflanzenbauer brauchen weniger Abteilung Industrielle und Biomedizinische Optik
Herbizide, die Pflanzen können keine Resistenzen Dr. Tammo Ripken
gegen die Laserstrahlung entwickeln, für die aus Telefon 0511 2788-228
Sicht der Biodiversität nützlichen Beikräuter und t.ripken@lzh.de
Nützlingsinsekten auf den Flächen entstehen keine www.lzh.de
Vision von autonomen Feldrobotern zur Laser-gestützten Struktureller Aufbau einer robusten
Unkrautbekämpfung Applikationsoptik12 Technologieangebot
Der Infrarotsensor NIRScreen untersucht beim Milchpulver Der Sensor ist mit Powerbank für den
Kontaminationen durch Melamin. mobilen Einsatz geeignet.
Durchblick mit Infrarot-Sensoren
Die nächste Generation der Prozessanalytik
I
n vielen industriellen Produktionsprozessen ist dank des breiten Lichtspektrums (900 bis 2500 nm)
eine kontinuierliche Kontrolle der Vorgänge unab- verschiedenste Parameter in direkter Prozessum-
dingbar. Bei der Qualitätsprüfung von Rohstoffen gebung berührungslos erfassen. So lassen sich bei
und Produkten bei Lebensmitteln, Milcherzeug- diversen Lebensmitteln unter anderem Reifegrad,
nissen, Kunststoffen oder Kraftstoffen ist die Pro- Feuchte-, Fett- und Proteingehalt messen.
zessanalytik aktuell aber nur auf wenige messbare
Parameter beschränkt, zum Beispiel pH-Wert, Die smarten Sensoren sind sowohl als mobiles Gerät
Temperatur und Leitfähigkeit. Der Diplom-Chemiker als auch als Labor- und automatisierte Industriepro-
René Ungermann hat in seiner Forschungszeit an zessvariante erhältlich. Die Software lässt sich über
der Universität Oldenburg einen großen Bedarf an einen Touchscreen oder alternativ über ein eigenes
neuen sensitiven Messgeräten erkannt, die sich Endgerät bedienen, indem der Sensor ins eigene
direkt vor Ort einsetzen lassen. Er gründete 2018 mit Netzwerk eingebunden wird. Aktuell werden die
der Unterstützung der Universität und eines EXIST- Sensoren bereits im Interreg-Projekt MEDUWA
Gründerstipendiums das Start-up InProSens. eingesetzt, um die Filtrationsleistung von Hoch-
leistungsfiltersystemen zu überwachen. Bei inte-
Mit seiner Expertise für optische Messtechnik ent- ressierten Unternehmen kann das Gründungsteam
wickelt das Team innovative Sensoren auf Basis von unverbindlich Testmessungen vor Ort vornehmen
nahem Infrarot (NIR) für unterschiedlichste chemi- oder anhand von Proben prüfen, ob die Sensoren
sche Strukturen. Aufgrund des modularen Aufbaus für die gewünschten Anwendungen einsetzbar
sind die Sensoren universell für verschiedenste sind. Das Start-up ist sehr an Kooperationen und
Anwendungen einsetzbar, in denen feste, flüssige neuen Anwendungsfeldern für seine Produkte
oder pastöse Substanzen und Materialien konti- interessiert.
nuierlich oder auch stichprobenartig untersucht
werden sollen. Sie eignen sich etwa für Milch, Öle, InProSens UG (haftungsbeschränkt),
Fette, Polymere, Kraftstoffe, Algen und Nährstoffe. Oldenburg
Es sind weder Reagenzien noch eine vorherige Dipl.-Chem. René Ungermann
Probenaufbereitung notwendig. Die Sensoren info@inprosens.com
der Produktlinien NIRScreen und NIRLyzer können www.inprosens.comPraxis 13
Mehr sehen in der Mikroskopie
Digital steuerbare Filter beschleunigen Bildaufnahmen
Z
ellen beim Leben zusehen – der Goldstandard
in der Forschung dazu ist die Fluoreszenz-
mikroskopie. Anfärbungen sorgen für einen
spezifischen, hohen Kontrast des Bildes. Um genaue
Untersuchungsergebnisse zu erhalten, müssen die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die
spektralen Eigenschaften optimal auf die Anwen-
dung und Fluoreszenzfarbstoffe einstellen. Hierfür
kombinieren sie gewöhnlich mehrere optische Filter,
die sie mechanisch wechseln müssen – meist den
kompletten Filtersatz. Die Arbeitsgruppe Laser in
der Medizin, Mikroskopie und Analytik der Hoch-
schule Emden/Leer hat in Kooperation mit der
Firma AHF analysentechnik AG das TuneCube-
Mikroskop entwickelt. Dieses innovative System
ermöglicht erstmals schnelle, hyperspektrale Bild-
aufnahmen ohne Filterwechsel.
Die durchstimmbaren Dünnfilmfilter lassen sich
dynamisch, per Softwaresteuerung, im Winkel
variieren. Da so die spektralen Eigenschaften eines
Filters verändert werden können, ersetzt das System
mehrere Filtersätze und kann sogar neue gene-
rieren; Strahlteiler entfallen vollständig. Diese
flexible digitale Ansteuerung erlaubt es, mehrere
Farbkanäle ohne Filtertausch schnell und adaptiv
aufzunehmen. Die verwendeten Dünnfilmfilter
Das neuartige Fluoreszenzmikroskop ermöglicht eine
zeichnen sich durch hohe Transmission im Mess-
hyperspektrale Vollfeld-Bildgebung mit durchstimmbaren
bereich aus und unterdrücken gleichzeitig uner-
Dünnschichtfiltern.
wünschte Strahlung effizient. Ohne Nachjustierung
können Anwender schnell zwischen Standard-
Fluoreszenzmikroskopie und hyperspektraler
Bildgebung wechseln, die im vollen Sichtfeld
der Probe erfolgt.
Im Vergleich zu einem Forschungsmikroskop Zeiss
Axio Observer ist das TuneCube-Mikroskop bezogen
auf eine Standard-Referenzprobe (Argolight) eben-
bürtig bezüglich Bildqualität, Beleuchtungshomo-
genität, Feldverzerrung und Kontrast. Messungen
an Quantendots zur spektralen Charakterisierung
ergeben eine Auflösung von unter drei Nano-
metern, für alle Kombinationen durchstimmbarer
Filtertypen ohne Bildkorrekturalgorithmen. Das
System eignet sich zum einen zu sub-beugungs-
begrenzten Methoden, zum Beispiel zur Förster-
Resonanzenergietransfer (FRET)- und zur Ca2+-
Bildgebung. Zum anderen ermöglicht es spektros-
kopische Anwendungen, etwa zur Analyse variabler
Spektren mit relativer Helligkeitsreferenz oder zur
spektralen Auftrennung nah benachbarter Linien.
Hochschule Emden/Leer
Institut für Laser & Optik
Prof. Dr. Walter Neu
Telefon 04921 807-1456
walter.neu@hs-emden-leer.de Ohne Filterwechsel lassen sich verschiedene Chlorophyll-
https://ilo.hs-emden-leer.de Fluoreszenzspektren der Grünalge Micrasteria aufnehmen
www.ahf.de (Falschfarbendarstellung).14 Technologieangebot
Das neue Messprinzip weist Defekte an spiegelnden Das neuartige Verfahren erfasst sogar Kratzer, deren Abmessungen
Oberflächen sehr empfindlich nach. Selbst winzige Kratzer deutlich unterhalb der Digitalauflösung des Kamerasystems liegen –
oder Einschlüsse streuen das reflektierte Licht, vermindern hier einen Kratzer mit einer Breite von 3,5 µm (dunkle Struktur in weiß
den Kontrast und sind dadurch detektierbar. markiertem Ausschnitt) bei einer Auflösung von zirka 54 µm/Pixel.
Defekte an Oberflächen —
dem Licht entgeht nichts
Neues Prüfverfahren erleichtert Automatisierung
V
iele technische Erzeugnisse weisen spie- Auf diese Weise kann das Verfahren mit hoher
gelnde oder transparente Oberflächen mit Empfindlichkeit Kratzer, Schrammen, Verunreini-
bestimmten Funktionen auf. Hierzu zählen gungen, Poren, Einschlüsse oder vergleichbare
etwa optisch abbildende Grenzflächen von Spiegeln Unvollkommenheiten sichtbar machen. Das IPROM
und Linsen, aber auch lackierte oder polierte Ober- belegt mit seinen bislang durchgeführten Unter-
flächen von Konsumgütern, die der Produktästhetik suchungen, dass das Messprinzip an ebenen und
dienen. Um die Produktqualität sicherzustellen, ist gekrümmten Oberflächen sowohl in Reflexion als
es oftmals erforderlich, auch kleine Oberflächen- auch in Transmission anwendbar ist. Ein vorteil-
defekte wie Kratzer oder Poren zu lokalisieren und hafter Unterschied zur verwandten Deflektometrie
zu klassifizieren. Diese Aufgabe übernehmen in besteht darin, dass keinerlei geometrische Ein-
vielen Fällen noch Qualitätsprüfer durch visuelle messung der Systemkomponenten erforderlich ist.
Sichtprüfung. Das erfolgt üblicherweise unter Somit lässt sich das Verfahren sehr flexibel an unter-
Dunkelfeldbeleuchtung, wobei sich die fehlerhaften schiedliche Prüfsituationen anpassen. Das Institut
Strukturen vor einem dunklen Hintergrund hell sucht Kooperationspartner, die das Verfahren testen
abheben. Bei diesem Vorgehen ist eine Automati- und an ihre jeweiligen Problemstellungen anpassen
sierung sehr schwierig. möchten.
Das Institut für Produktionsmesstechnik (IPROM) Technische Universität Braunschweig
der Technischen Universität Braunschweig hat für Institut für Produktionsmesstechnik
derartige Inspektionsaufgaben ein neuartiges Prof. Dr.-Ing. Rainer Tutsch
Messprinzip entwickelt und erprobt. Dieses begüns- Dr.-Ing. Marcus Petz
tigt die Automatisierung des Prüfprozesses durch Telefon 0531 391-7028
eine einfacher beherrschbare Beobachtung in Hell- iprom@tu-braunschweig.de
feldanordnung. Hierbei zeigt ein Flüssigkristallbild- www.iprom.tu-bs.de
schirm Mustersequenzen an, eine elektronische
Kamera zeichnet das vom Prüfling durch Spiegelung
oder Brechung beeinflusste Abbild auf. Ober-
flächendefekte verändern das Streuverhalten in
charakteristischer Weise. Durch Bestimmung der
lokalen Kontrastverhältnisse können die Anwender
das Streuverhalten der Oberfläche ortsaufgelöst
charakterisieren.Forschung 15
Kommunizierende Scheinwerfer
für sicheren Straßenverkehr
Innovative Konzepte für autonome Fahrzeuge
S
ehen und gesehen werden – auf diesem Um Informationen wie Warnungen, Navigations-
Grundsatz basiert die Sicherheit im Straßenver- hinweise oder Zebrastreifen farbig direkt auf der
kehr. Die Kommunikation im Verkehrsraum ist Straße abzubilden, kommen laserbasierte Systeme
durch den Blickkontakt zwischen Fahrzeugen und zum Einsatz. Der Vorteil ist, dass die Symbole direkt
Personen sowie durch das Verhalten jedes einzelnen im Blickfeld des Autofahrers liegen oder sich für
Verkehrsteilnehmers geprägt, zum Beispiel an andere Personen neben das Fahrzeug lenken lassen.
Zebrastreifen. In einem zukünftigen Szenario, bei Die Laser lassen sich in idealer Weise mit hochauf-
dem teil- und vollautonome Fahrzeuge am Straßen- lösenden Fahrzeugscheinwerfern kombinieren.
verkehr teilnehmen, wird der für die gefühlte Sicher- Basierend auf Kamerabildern und anderen Sensor-
heit wichtige Blickkontakt entfallen. Forscherinnen daten leuchten diese den Verkehrsraum adaptiv
und Forscher des Instituts für Produktentwicklung aus, ohne andere Verkehrsteilnehmer zu blenden.
und Gerätebau der Leibniz Universität Hannover Diese Schweinwerfer bestehen nicht wie üblich
beschäftigen sich daher mit der Frage, wie motori- aus wenigen Bildpunkten, sondern aus bis zu einer
sierte und nicht motorisierte Verkehrsteilnehmer in Million Pixeln, die sich einzeln steuern lassen.
verschiedensten Situationen sicher miteinander
kommunizieren können. Das Team erarbeitet aktuell, wie Symbole auf der
Straße gestaltet werden sollten, damit diese den
Der Informationsaustausch autonomer Fahrzeuge gewünschten Empfänger erreichen. Darüber hinaus
untereinander und mit der Infrastruktur (Car-2-X) untersucht es Aspekte wie Lasersicherheit, den
ist funkbasiert. Doch solange der Verkehrsraum notwendigen Kontrast bei Tag und Nacht, den erfor-
ein offener und zugänglicher Bereich ist, wird es derlichen Farbraum und die Sichtbarkeit in Abhän-
Verkehrsteilnehmer geben, die nicht digital vernetzt gigkeit vom Straßenzustand.
sind. Hierzu gibt es verschiedene Lösungsansätze.
Das hannoversche Forschungsteam entwickelt Leibniz Universität Hannover
Lichtassistenzsysteme nach dem Motto »Licht Institut für Produktentwicklung und Gerätebau
spricht«. Dabei sollen hochauflösende Scheinwerfer Prof. Dr.-Ing. Roland Lachmayer
zum Beispiel farbige Informationen oder Symbole Marvin Knöchelmann, M. Sc.
auf die Straßenoberfläche sowohl tags als auch ipeg@ipeg.uni-hannover.de
nachts projizieren. ipeg.uni-hannover.de
Prototyp eines Laserscanners zur adaptiven Kontrastreiche Symbolprojektion mit einem
Ausleuchtung der Straße hochauflösenden Scheinwerfer16 Forschung
Bei extrem kalten Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt lassen sich Atome
als Materiewellen beschreiben. Zu sehen ist die Dichteverteilung eines Rubidium-Gases
in einem so genannten Bose-Einstein-Kondensat, deren wellenförmige Ausbreitung
an Schwingungsmoden einer Trommel erinnern.
Quantenforschung für neue
Erkenntnisse und Anwendungen
I
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus solierte Atome und Moleküle stellen schon lange
die am besten kontrollierbaren Systeme dar, um
Niedersachsen widmen sich einer der größten fundamentale Fragen der Physik zu studieren und
Herausforderungen der modernen Physik: zu beantworten. Die Vision des neuen Sonderfor-
schungsbereichs (SFB) »DQ-mat – Designte Quan-
Quanteneigenschaften von Vielteilchensystemen tenzustände der Materie« ist es, die Kontrolle
zu verstehen. Sie erforschen, wie sie die Eigen- über isolierte Atome und Moleküle (Ein-Teilchen-
Systeme) auf große Quantensysteme (Viel-Teilchen-
schaften von Licht und Materie messen und Systeme) auszudehnen. Hierbei kooperieren die
kontrollieren können, um Anwendungen Leibniz Universität Hannover, die Physikalisch-
Technische Bundesanstalt in Braunschweig und das
zu entwickeln. Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie
und Mikrogravitation in Bremen. Sie entwickeln
neue Methoden zur Herstellung, Manipulation
und Detektion von Quantenzuständen, um das
Verständnis physikalischer Vorgänge zu erweitern
und mögliche Anwendungen in der Metrologie
zu erschließen
Optische Uhren
Jüngste Entwicklungen in der Messtechnologie,
etwa optische Uhren mit einer Genauigkeit von
18 Stellen hinter dem Komma (ein Milliardstel einer
Milliardstel Sekunde), demonstrieren eindrucksvoll
die Kontrolle über Ein-Teilchen-Systeme. »Das
bedeutet, dass die Uhr erst nach 30 Milliarden
Jahren – dem doppelten Alter des Universums –
um zirka eine Sekunde nach- oder vorgehen wird«,
verdeutlicht SFB-Geschäftsführer Dr. Alexander
Wanner. Ihm zufolge dienen optische Uhren mit
derartig hoher Genauigkeit zum einen der exakten
Bestimmung eines Zeitpunktes oder einer Zeitdauer
von kurzlebigen Abläufen in der Forschung. Zum
Studierende führen Arbeiten an einem Optik-Experiment durch. anderen lassen sich damit verschiedene ZeitsystemeForschung 17
Was sind Quanten?
Die Quantenphysik beschreibt Eigenschaften und
Gesetzmäßigkeiten der Materie, deren Zustände und
Vorgänge mit der klassischen Mechanik nicht mehr
beschrieben werden können. Beispiele für ein Quant
sind das Elektron und das Photon. Die Strom- und
Lichtteilchen existieren nur ganz oder gar nicht
und können — je nach der Art der Messung — sowohl
den Charakter einer Welle als auch den eines
Teilchens annehmen (Welle-Teilchen-Dualismus).
Wellen breiten sich im Raum aus, schwächen oder
verstärken sich durch Überlagerung. Ein klassisches
Teilchen kann zu einem Zeitpunkt nur an einem
bestimmten Ort anwesend sein. Der Quantentheorie
folgend wird nun jedem Körper eine Materiewelle
zugeschrieben.
Die Quantenmechanik bezieht sich auf einzelne
Teilchen im Größenbereich der Atome und Elementar-
teilchen und lässt sich auf Systeme mit vielen
Teilchen übertragen. Mit den spezifischen Eigen-
schaften der Quanten sind Computer, Sensoren
Bei der neuartigen Ionenfalle ermöglichen dünne Abstandshalter und neuartige Messtechnologien denkbar,
zwischen den Elektrodenschichten einen 3D-Laserzugriff. die bisherige Leistungen weit übertreffen. cab
und -skalen koordinieren. Weitere Anwendungen und das Verständnis für die Eigenschaften von
für robuste optische Uhren in der Zukunft sieht er Verschränkung in Quantensystemen vertiefen.
in der Telekommunikation, in der Energieversor- »Die Anwendung neuster Erkenntnisse in der
gung, zum Kalibrieren in der Industrie und zur experimentellen Forschung wird es uns erlauben,
Navigation mit deutlich verbesserter Präzision. mögliche Variationen von fundamentalen physi-
kalischen Konstanten nachzuweisen«, erklärt
Ein Forschungsschwerpunkt liegt auf der Ausdeh- Alexander Wanner. Ein Beispiel dafür ist die Fein-
nung von Ein-Teilchen-Systemen auf große, wech- strukturkonstante α, die die Stärke der elektro-
selwirkende und verschränkte Quantensysteme. magnetischen Wechselwirkung beschreibt, also
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler wie stark ein Elektron vom positiv geladenen Atom-
entwickeln Konzepte zur Manipulation, Erkennung kern angezogen wird. Möglicherweise bringen die
und Charakterisierung von Quantenkorrelationen in Forschungen sogar Licht in eines der großen unge-
Systemen von zehn bis zu zehntausenden von Parti- lösten Rätsel der Physik: Wie vereint man Einsteins
keln. »Letztlich wollen wir die Fähigkeit erlangen«, Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik?
erläutert Alexander Wanner, »die Wechselwirkung
von Atomen und Molekülen mit Licht auszunutzen, Schülerlabor foeXlab
um Quantenzustände von Materie zu detektieren
und kontrollieren.« Zum Beispiel soll es dadurch Aber auch den Nachwuchs hat der Sonderfor-
gelingen, die Genauigkeit und Auflösung von schungsbereich im Blick. Das Schülerlabor foeXlab
Quantensensoren wie optischen Uhren und Mate- an der Leibniz Universität Hannover wendet sich
riewellen-Interferometern signifikant zu verbessern. an Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe II,
an ihre Lehrkräfte sowie an Lehramtsstudierende.
Neben praktischen Anwendungen kann durch Hier gibt es Arbeitsstationen zu den Grundlagen
hochgenaue Messungen mit optischen Uhren der Optik und fortschrittliche Laser-Interferometer.
und Materiewellen-Interferometern der nächsten Das Labor bietet Vorträge sowie Trainings- und
Generation die Physik der Grundbausteine der Praktikumsprogramme an.
Materie erforscht werden. »Voraussichtlich können
wir dadurch auch unser Verständnis der Naturge-
setze überprüfen«, erwartet der Physiker. Dazu Leibniz Universität Hannover
gehören beispielsweise Fragen wie: Ändern sich Sonderforschungsbereich »DQ-mat«
möglicherweise Naturkonstanten? Werden funda- Prof. Dr. Piet. O. Schmidt
mentale Symmetrien in der Physik verletzt? Prof. Dr. Klemens Hammerer
Welchen Einfluss hat Gravitation auf Quanten- Dr. Alexander Wanner
systeme? Neuartige Beschreibungsmethoden alexander.wanner@quest.uni-hannover.de
sollen die Computersimulation effizienter machen www.dq-mat.uni-hannover.de18 Forschung
Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD)-Anlage am HITec der Leibniz Universität Hannover
zur Erforschung neuartiger Faserkonzepte und strahlungsharter Fasern
Glasfasern als Lichtleiter und Strahlquelle
Spezialanfertigung aus Hannover
D
ie optische Glasfasertechnologie findet viel- Ausgehend von einem hochreinen Glasrohr bauen
fältige Anwendungen in unserem täglichen die Forscherinnen und Forscher zunächst mittels
Leben: in medizinischen Endoskopen, in der Modified Chemical Vapor Deposition (MCVD) eine
Laserbearbeitung von Materialien, in hochmo- sogenannte Preform auf. Dieser Glasstab mit 10 bis
dernen Sensorkonzepten oder auch in der opti- 50 Millimeter Durchmesser und über einem Meter
schen Datenübertragung. Mit dem Ziel, spezielle Länge wird in der Folge lokal aufgeschmolzen und
optische Fasern zu entwickeln und zu produzieren, in einem zwölf Meter hohen Faserziehturm zur
startet derzeit eine interdisziplinäre Forschungs- fertigen Faser ausgezogen. Auf diese Weise
gruppe an der Leibniz Universität Hannover. Ins- entstehen innerhalb eines Arbeitstages bis zu
besondere sollen maßgeschneiderte Faser-Laser- 200 Kilometer Faser mit einem typischen Faser-
systeme und neuartige Sensorkonzepte mit durchmesser von 125 Mikrometer. Das besondere
sogenannten strahlungsharten Fasern konzipiert Potenzial der Anlagen besteht vor allem in der
werden, die robust genug für den Einsatz im flexiblen Verwendung komplexer Dotierungsprofile
Weltraum sind. Das neu gebaute HITec-Institut und -materialien bis hin zu Nanopartikeln.
stellt hierfür eine leistungsfähige Infrastruktur
mit zwei Reinraum-Laboren, die eine vollständige Ein Alleinstellungsmerkmal der eingerichteten
Produktionskette zur Faserherstellung und einen Labore ist die Verbindung der klassischen Forschung
Faserziehturm beherbergen, zur Verfügung. an laseraktiven Glasfasern mit Weltraumanwen-
dungen, mit den Quantentechnologien und ins-
Die Lichtleitung in optischen Fasern beruht auf besondere auch mit der Quantensensorik. Damit
dem Effekt der Totalreflexion an einer Grenzfläche: entstehen am Standort Hannover neuartige
Ein innerer hochbrechender Faserkern ist von einem Möglichkeiten, zukunftsweisende Faserkonzepte
niedrigbrechenden Mantel umgeben. Durch Zusatz zu erforschen und wichtige Impulse für die Laser-
unterschiedlicher Fremdatome, sogenannter technik und deren Anwendung zu setzen.
Dotanden, im Kern und im Mantel lassen sich die
Eigenschaften und der Brechungsindex innerhalb Leibniz Universität Hannover
einer solchen Glasfaser gezielt variieren. So gelingt Hannover Institute of Technology (HITec)
eine praktisch verlustfreie Führung von Licht Prof. Dr. Detlev Ristau
entlang einer optischen Faser über hunderte Dr. Axel Rühl
von Kilometern. Zudem lassen sich Fasern durch Dr. Matthias Ließmann
Verwendung spezieller Dotanden wie seltene d.ristau@lzh.de
Erden herstellen, die Licht bis hin zur Laseraktivität www.iqo.uni-hannover.de/de/arbeitsgruppen/
verstärken. lasercomponentsandfibers/Forschung 19
Transistor der Zukunft —
ultraschnell dank Licht
Signalkontrolle im Nanometerbereich
T
agtäglich werden sie billionenfach verwendet: Form von sogenannten Plasmonwellen mit nur
Elektronische Transistoren dienen in jedem einigen wenigen Schaltermolekülen wie Farbstoffen
Smartphone oder Computer als kleinstmög- oder Quantenpunkten zu erzwingen.
liche Recheneinheit. In den Transistoren wird
elektrischer Strom dazu verwendet, den Informa- Dabei kann der in der Abbildung grün dargestellte
tionsfluss – wiederum Strom – gezielt an- und aus- Kontrollpuls darüber entscheiden, ob der von unten
zuschalten und somit Rechenoperationen durch- links eingekoppelte Signalpuls bis zur Auskopplung
zuführen. Einer weiteren Miniaturisierung dieser durchgelassen oder vom Schaltermaterial absorbiert
Bauteile und damit einer Geschwindigkeitszunahme wird – und das auf einer räumlichen Skala von nur
der Prozessoren sind jedoch physikalische Grenzen wenigen Nanometern. Die Geschwindigkeit, mit der
gesetzt, die bald erreicht sind. Dieser Herausforde- dieser Schalter im Prinzip geöffnet und geschlossen
rung stellen sich Physikerinnen und Physiker der werden kann (also die Taktrate), liegt im Bereich
Universität Oldenburg und erproben ein völlig von einigen Terahertz und übertrifft damit die
neues Konzept zur Funktionsweise eines Transistors. Geschwindigkeit jedes elektronischen Transistors
um mehrere Größenordnungen. Das Forschungs-
Anstelle des Stromflusses durch Elektronen wollen team versucht, einen solchen Schalter erstmals zu
sie Licht, also Photonen, dazu verwenden, den Infor- realisieren und zu testen. Dabei interessiert es sich
mationsfluss in Form anderer Photonen gezielt zu vor allem für die hohe Taktfrequenz, die mit einem
steuern. Photonen lassen sich jedoch sehr ungern solchen Schalter erreicht werden kann.
auf kleine Dimensionen einsperren und reagieren
zusätzlich kaum mit anderen Photonen. Dies sind
jedoch Voraussetzungen für einen funktionierenden Universität Oldenburg
photonischen Schalter. Die Forschenden stellen nun Institut für Physik
in diesem Projekt extrem kleine metallische Struk- Dr. Martin Silies
turen mit der neuartigen Methode der Helium- Telefon 0441 798-3515
Ionen-basierten Lithographie her. Diese nutzen sie, martin.silies@uol.de
um die Wechselwirkung von Licht in Metallen in www.uol.de/photonictransistor
Der photonische Transistor soll die
Signalübertragung beschleunigen:
Der Informationsfluss und die Kontrolle
über ein Schaltermolekül erfolgt nicht
durch elektrischen Strom, sondern
durch Licht, also Photonen.20 Forschung
Schneller als der Wind
Um Windenergieanlagen und Windparks optimieren
zu können, benötigt die Windenergieforschung
exakte Messmethoden. Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler des Zentrums für Windenergieforschung
(ForWind) entwickeln an der Universität Oldenburg
hierfür neue Technologien, die auf dem Einsatz von
Laserlicht und Hochgeschwindigkeitskameras basieren.
Der an der Universität
Oldenburg entwickelte
hochpräzise Windmesser
misst Turbulenzen
Winzige Windwirbel exakt gemessen
in einem Offshore-
W
Windpark in der er morgens Milch in seinen Kaffee rührt, von ihm reflektierten Laserstrahl in zwei Richtungen
Nordsee. produziert turbulente Strömungen. ab. Die Richtung des reflektierten Lichtes wird
Solche Turbulenzen lassen sich überall erfasst und intern ausgewertet. Auf diese Weise
beobachten – von der Kaffeetasse bis hin zu erreicht der hochsensible Strömungsmesser eine
Wirbeln in der Atmosphäre. Um diese turbulenten räumliche Auflösung von 160 Mikrometern.
Strömungen in der Atmosphäre und ihre Aus-
wirkungen auf Windenergieanlagen besser zu Das Forschungsteam setzt den neuartigen Wind-
verstehen, hat das ForWind-Team an der Univer- messer in Offshore-Windparks oder bei Experi-
sität Oldenburg eine neue Art von Windmesser menten im Oldenburger Windkanal ein. Mit seiner
entwickelt: das sogenannte 2D-Laser Cantilever robusten Bauart und der geringen Größe lässt sich
Anemometer (2D-LCA). das Gerät auch unter schwierigen Bedingungen
flexibel anwenden. So lassen sich etwa Strömungs-
Mit Hilfe eines Lasers kann das 2D-LCA winzig geschwindigkeiten von Flüssigkeiten mit Partikeln
kleine Wirbel im Mikrometerbereich exakt messen oder nahe einer Begrenzung damit messen. In dem
mit bis zu 150.000 Messwerten in der Sekunde. gerade gestarteten Projekt MARL fördert das
Dieses etwa 22 Zentimeter lange Anemometer Bundesministerium für Wirtschaft und Energie die
erfasst Strömungsgeschwindigkeiten in zwei Weiterentwicklung des 2D-LCAs bis zur Marktreife.
Dimensionen. Dazu wird ein Biegebalken, der Canti- Die bestehenden Prototypen sollen insbesondere in
lever, in die Strömung gehalten und mit einem Laser Bezug auf Signalqualität und Handhabung verbes-
angestrahlt. Unter der Kraft der Strömung verbiegt sert werden und so einer breiteren Nutzergruppe
und/oder verdreht sich der Balken und lenkt so den aus öffentlichen Forschungseinrichtungen und
Entwicklungsabteilungen privater Unternehmen
zur Verfügung stehen.
Universität Oldenburg
ForWind – Zentrum für Windenergieforschung
Dr. Jaroslaw Puczylowski
Telefon 0441 798-3952
jaroslaw.puczylowski@uni-oldenburg.de
www.uol.de/twist/forschung/messtechnik/
laser-cantilever-anemometer/
Beim neuartigen Windmesser erfassen Laser Veränderungen
des Biegebalkens im Mikrometerbereich.Forschung 21
Das Strömungsfeld über dem
Rotorblatt basiert auf den Messergebnissen und
gibt Aufschluss über die einwirkenden Lasten.
Turbulenzen im Laserlicht
W
ie strömt der Wind um das Rotor- Auswertungsprogramme berechnen. Die Kameras
blatt einer Windenergieanlage? Was machen dabei bis zu 12.000 Bilder pro Sekunde.
geschieht, wenn eine Windböe das
Blatt trifft? Um die Lebenszeit von Windenergie- Die Ergebnisse zeigen, wie der Wind das sich bewe-
anlagen zu verlängern, sind Wissenschaftlerinnen gende Rotorblatt umströmt. Besonders interessiert
und Wissenschaftler auf immer genauere Mess- die Forschenden, wann und wie die Strömung vom
methoden und Regelungstechniken angewiesen. rotierenden Blatt abreißt und welche Windsituatio-
Dem Oldenburger Team von ForWind ist es nun nen zu den größten Schlägen und dynamischen
gelungen, eine bildgebende Messmethode für Lasten auf die Komponenten der Windenergieanlage
turbulente Strömungen anzupassen und im führen. Im Windkanal sind die Messungen unter
großen Oldenburger Windkanal an einer rotie- kontrollierten Bedingungen reproduzierbar. So kann
renden Modellwindturbine anzuwenden. das Team beispielsweise mehrere Versuche mit dem
gleichen turbulenten Windfeld durchführen. Da sie
Hier können die Forschenden eine Modellwindtur- mit der PIV-Methode nur in einem dünnen Lichtschnitt
bine turbulenten Strömungen aussetzen, die sie mit messen können, arbeiten die Forschenden bereits an
Hilfe eines aktiven Gitters erzeugen. Ein Laser macht einer Weiterentwicklung. Dabei wollen sie mittels
winzige, der Luft zugesetzte Partikel sichtbar und Holografie dreidimensionale Strömungsfelder messen.
High-Speed-Kameras erfassen die Bewegungen der
Partikelströme. Bei dieser Methode, der sogenann- Universität Oldenburg
ten Particle-Image-Velocimetry (PIV), werden die ForWind – Zentrum für Windenergieforschung
vorbeiströmenden Partikel eines ganzen Strömungs- Dr. Gerd Gülker
feldes fotografiert. Aus der Änderung ihrer Positio- gerd.guelker@uni-oldenburg.de
nen von einem Foto zum nächsten lassen sich Strö- www.uol.de/twist/forschung/messtechnik/
mungsrichtung und -geschwindigkeit über spezielle stereo-piv/
Im Oldenburger Windkanal erzeugt ein aktives Gitter (rechts im Hintergrund)
Luftturbulenzen. Die Auswirkungen auf die Modellwindturbine machen ein Laser
und eine High-Speed-Kamera anhand von Partikeln im Luftstrom sichtbar.Sie können auch lesen
