VON BEWEGTEN ZELLEN UND EINEM CHEFKOCH

Mit dem Pioneer Fund fördern die ENTEGA NATURpur Institut gGmbH und die TU Darmstadt ausgewählte Innovationsprojekte an der Universität. Noch bewegen sie sich im „vorwettbewerblichen“ Bereich, aber das Potenzial für die Praxis ist erheblich. 2017 sind die ersten vier Vorhaben an den Start gegangen.

Fokussierter Blick:
Dr. Oktay Yilmazoglu und
Ahid Hajo forschen an hoch-
frequenten Strahlungsquellen.

„Der Pioneer Fund gibt uns genau die Chance, die wir brauchen.“

Dr. Oktay Yilmazoglu 

Aus der Forschung zur Anwendung

„Das winzige schwarze Teil, was man da noch gerade in der Mitte sieht“, erklärt Privatdozent Dr. Oktay Yilmazoglu und streckt dem Betrachter eine bräunliche Leiterplatte entgegen, „das ist die Gunndiode, um die es in unserer Forschung geht. Sie ist nur 20 Mikrometer groß, also ein Fünfzigstel Millimeter.“ Die elektronischen Bauelemente, an denen der Ingenieur gemeinsam mit dem Doktoranden Ahid Hajo arbeitet, sind mit dem bloßen Auge fast nicht zu erkennen.

Doch das winzige Teil hat es in sich. So könnte die Diode eines Tages möglicherweise in einigen Bereichen schädliche Röntgenstrahlungen ersetzen. Ihr großer Vorteil: Die von der Gunndiode erzeugte Strahlung ist ungefährlich, kann aber bestimmte Materialien oder die menschliche Haut an der Oberfläche durchdringen. Einfach ausgedrückt ist eine Gunndiode eine Strahlungsquelle, die elektromagnetische Wellen erzeugt, im Fall der Darmstädter Wissenschaftler sogar Strahlung im Höchstfrequenzbereich. „Wir machen Dioden – aber eben Dioden mit sehr, sehr hoher Frequenz“, sagt Yilmazoglu, der im Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik in Darmstadt tätig ist. Die Forscher sprechen hierbei von Terahertz-Strahlung. Dieser Prozess ist technologisch reiz- voll und zudem kostengünstig, da die Gunndioden leicht herzustellen sind. „Es gibt im Prinzip kein Preislimit nach unten“, erläutert Yilmazoglu, „je größer der Markt, desto günstiger könnten die Produkte werden.“ Und auch die möglichen Anwendungsfelder in der Sensorik oder Bildgebung sind enorm. Ein auf einer Gunndiode basierender Terahertz-Scanner könnte in der Materialprüfung, der Lebensmittelkontrolle oder sogar in der Biomedizintechnik zum Einsatz kommen. Darüber hinaus sind aber auch noch völlig neue Anwendungsfelder denkbar.

Zu diesem Zweck brauchen die Forscher risikobereite Partner. „Der Pioneer Fund gibt uns in der jetzigen Entwicklungsphase genau die Chance, die wir brauchen, um unsere Idee einen Schritt in Richtung Marktreife zu entwickeln und Partner aus der Industrie zu gewinnen“, erklären Yilmazoglu und Hajo.

Professorin Dr.-Ing. Mira Mezini, Vizepräsidenten der Technischen Universität Darmstadt

„Das Engagement der ENTEGA ist meines Wissens einmalig in Deutschland.“

Professorin Dr.-Ing. Mira Mezini

Denn eines der Hauptziele des Pioneer Fund ist es, vielversprechende Ergebnisse aus der Forschung schneller in marktfähige Innovationen und damit in die Praxis bringen zu können. „Die Förderung setzt an, wenn die eigentliche Grundlagenforschung abgeschlossen, aber eine Verwertung aufgrund ausstehender Entwicklungsarbeiten, Marktanalysen oder einer Validierung noch nicht möglich ist. Wissenschaftler, Studierende, Absolventen und junge TU-Alumni werden durch den Pioneer Fund darin unterstützt, eigene Forschungsergebnisse in die gesellschaftliche oder wirtschaftliche Nutzung zu überführen“, sagt die Vizepräsidentin der TU Darmstadt und Pioneer-Fund-Kommissionsmitglied Professor Dr. Mira Mezini. „Das Engagement der ENTEGA ist dabei meines Wissens einmalig in Deutschland.“

Die Entwicklung der Terahertz- Gunndiode ist eines der ersten vier Vorhaben, die 2017 eine Bewilligung erhalten haben. Jedes Jahr stellen die ENTEGA NATURpur Institut gGmbH und die TU Darmstadt insgesamt 600.000 Euro bereit. Projekte können bis zu 18 Monate lang unterstützt werden.

Auf dem Weg zum Prototyp

„Ohne die Finanzierung könnten wir unsere Erfindung nicht in Richtung eines Prototyps entwickeln und weitere Gelder einwerben“, sagt daher auch Professorin Dr. Katja Schmitz vom Forschungsbereich Biologische Chemie. Gemeinsam mit dem Doktoranden Veysel Erdel und dem Privatdozenten Dr. Joachim Hönes arbeitet die Chemikerin an einem günstigen und einfachen Schnelltest für Fibrinogen, einem Stoff, der bei Blutungen für die Gerinnung sorgt. „Bei Unfällen oder Geburten kann es zu starken Blutverlusten kommen. In der Folge kann daraus aber unter bestimmten Umständen ein Mangel an Fibrinogen entstehen, was im schlimmsten Fall sogar zum Verbluten des Betroffenen führt“, so Schmitz.

Das Problem: Bisher dauert es viel zu lange, um den Gehalt des Fibrinogens im Blut zuverlässig zu bestimmen. „Ein Ergebnis liegt heute bei den klassischen Tests erst nach mehr als einer halben Stunde vor – für ein Unfallopfer kann das aber viel zu spät sein“, erklärt Joachim Hönes. „Außerdem sind die bisherigen Tests einfach nicht zuverlässig genug.“ Das Projektteam arbeitet daher an einem Verfahren, das schneller und besser als herkömmliche Tests sein soll. „Mit unserem Schnelltest soll die Konzentration des Fibrinogens innerhalb von nur zwei bis fünf Minuten bestimmbar sein“, sagt Katja Schmitz. Genutzt würde dazu ein Teststreifen mit passendem Lesegerät. Derzeit sind die Forscher allerdings noch damit beschäftigt, den Test im Laborformat zu optimieren.

„Bisher fehlten uns aber vor allem die Manpower sowie ein schnelleres Messgerät, um entsprechende Forschungen vorantreiben zu können. Gerade diese Lücke konnten wir durch den Pioneer Fund schließen und eine Promotionsstelle finanzieren“, sagt Katja Schmitz.

Ohne Diskussionen geht es nicht voran: Professorin Dr. Katja Schmitz und Dr. Joachim Hönes im Gespräch.

„Mit unserem Schnelltest soll die Fibrinogen- Konzentration innerhalb von nur zwei bis fünf Minuten bestimmbar sein.“

Professorin Dr. Katja Schmitz

Ein Stromspeicher für viele Haushalte

Solarstrom wird meist nicht dann benötigt, wenn er produziert wird. Scheint tagsüber die Sonne, sind viele Menschen nicht zu Hause und fragen kaum Strom nach. Wenn am Abend aber das Licht brennt und die Waschmaschine läuft, erzeugt die Solaranlage keinen Strom mehr. Damit der Strom auch dort verbraucht werden kann, wo er erzeugt wird, und nicht ins Stromnetz eingespeist werden muss, könnte die Speicherung der überschüssigen Sonnenenergie eine Lösung sein – vielleicht sogar in einem gemeinsamen großen Stromspeicher für mehrere Wohneinheiten, einem „Quartierspeicher“.

In einem Neubaugebiet in Groß-Umstadt („Am Umstädter Bruch“) mit rund 80 Wohneinheiten, die jeweils über eigene Photovoltaikanlagen verfügen, betreibt ENTEGA seit einiger Zeit einen solchen Speicher. Gleichzeitig untersuchen, erproben und bewerten die Energieexperten in dem Forschungsprojekt „ESQUIRE“ gemeinsam mit anderen Unternehmen und Forschungseinrichtungen, wie genau ein solcher Quartierspeicher in der Praxis betrieben werden kann, welche Fragen bei den Nutzern oder in den Kommunen entstehen und wie hoch die Akzeptanz bei den Bürgern ist. Aus den Ergebnissen werden dann neue Dienstleistungen und Geschäftsmodelle entwickelt.

 

Auch im dritten geförderten Projekt steht die „Manpower“ im Vordergrund. Schließlich werden die Zuwendungen aus dem Pioneer Fund hier vor allem zur Finanzierung der Stelle von Thomas Weber eingesetzt, der zurzeit bei Professor Dr. Eberhard Abele am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen im Fachbereich Maschinenbau promoviert.

Der Nachwuchswissenschaftler beschäftigt sich mit einem besonderen Problem der Energiewende: Einerseits nimmt der Anteil dezentraler Anlagen im Stromsystem, die den Strom eher ungleichmäßig ins Netz einspeisen, weiter zu. „Eine dezentrale Anlage – das kann eine Photovoltaikanlage auf dem Hausdach sein, ebenso wie ein Blockheizkraftwerk in einer Fabrik“, so Weber. Zum anderen werden viele konventionelle und größere Anlagen zurzeit stillgelegt, was den Trend zur Kleinteiligkeit des Strommarktes noch verstärkt. Da die Erzeugung und der Verbrauch im Stromsystem aber immer im Gleichgewicht stehen müssen, braucht es einen neuen Regelmechanismus, um die vielen dezentralen Anlagen besser aufeinander abstimmen zu können.

Schafft Regeln für die dezentrale Energiewelt der Zukunft: der Doktorand Thomas Weber.

„Eine dezentrale Anlage – das kann zum Beispiel ein Blockheizkraftwerk in einer Fabrik sein.“

Thomas Weber

Eine Lösung könnte darin liegen, die einzelnen Anlagen in einem großen Anlagenpool zu bündeln. Die Experten sprechen in diesem Fall von einem „virtuellen Kraftwerk“. Und genau hier setzt die Arbeit von Thomas Weber an. Denn er entwickelt für dieses Kraftwerk einen sogenannten „Poolregler“, eine Software, die die zentrale Steuerung der Anlagen übernehmen soll. Sie könnte künftig zur Versorgungssicherheit im Stromnetz beitragen und zugleich die Wirtschaftlichkeit der Anlagen optimieren.

„Im Grunde ist das so wie mit einem Koch, der in einer Küche eine Suppe zubereitet“, erläutert Weber das Prinzip seiner Idee. „Wenn nun plötzlich viele einzelne Köche dazukommen, die alle an der einen Suppe mitkochen wollen, dann kann daraus kein gutes Gericht werden. Damit Letzteres gelingt, braucht es einen Chefkoch, der die Koordination und Steuerung übernimmt – also in etwa so, wie dies mein Algorithmus tun soll!“

Jährliche Fördersumme von ENTEGA NATURpur Institut gGmbH und TU Darmstadt

„Es braucht einen Chefkoch, der sagt, wo es langgeht – so, wie das mein Algorithmus tun soll!"

Thomas Weber

Virtueller Marktplatz für Strom

Windräder oder Photovoltaik­anlagen können nur dann Energie erzeugen, wenn der Wind weht oder die Sonne scheint. Dadurch ist die Stromerzeugung volatil, wobei die Schwankungen zunehmen, je größer der Anteil der erneuerbaren Energien wird. Um das Stromnetz zu stabilisieren und Abweichungen auszugleichen, sind neue Lösungen wie Stromspeicher oder andere Flexibilisierungs­möglichkeiten notwendig.

In dem Forschungsprojekt „Flex4Energy“ hat ENTEGA in den vergangenen drei Jahren, gemeinsam mit verschiedenen Akteuren aus Wirtschaft und Wissenschaft und unter der Projektleitung der Storegio GmbH, daher an einem sogenannten „Flexibilitätsmanager“ gearbeitet. Erprobt wurde das Instrument erstmals in der Praxis beim Betrieb des Quartierspeichers in Groß-Umstadt. Bei dem Flexibilitätsmanager handelt es sich im Grunde um eine „virtuelle“ Handelsplattform für Strom auf der Verteilnetzebene. Überschüssige und gespeicherte Energie kann so zum Beispiel wie im Börsenhandel einem regionalen Anbieter angeboten werden – und zwar unkompliziert, sicher und rechtlich einwandfrei.

Bringen Zellen in Bewegung: Dr. Tobias Meckel und Dr. Ljuba Schmitt.

„Wir ahmen die natürliche Bewegung von Zellen nach, um die Aussagekraft von Wirkstofftests zu verbessern."

Privatdozent Dr. Tobias Meckel

Große Relevanz für die Praxis könnte auch die Forschung von Dr. Tobias Meckel und Dr. Ljuba Schmitt haben. Ihr Forschungsgebiet lautet: Zellkulturen in Bewegung. Der Biologe und die Materialwissenschaftlerin wollen mit ihrem Projekt dazu beitragen, die präklinische Prüfung etwa von Medikamenten zu verbessern. Mit den Ergebnissen ihrer Forschung könnte zum Beispiel die Zahl der nötigen Tierversuche in der Praxis reduziert werden. Gleichzeitig könnten auch die Kosten von klinischen Studien sinken.

Hohe Relevanz für die Praxis

In der Regel werden Wirkstofftests heute in den Laboren der Pharmaindustrie oder in der biologischen Grundlagenforschung zunächst an kultivierten humanen Zellen durchgeführt. Ein Nachteil dieser Versuche ist jedoch, dass sich die kultivierten Zellen dabei nicht bewegen. „Im menschlichen Körper ist das natürlich völlig anders. Nahezu alle Zellen werden ständig gestaucht oder gedehnt, sei es durch den Herzschlag, die Atmung oder andere Muskelbewegungen“, erklärt Meckel, Privatdozent im Fachgebiet Makromolekulare Chemie und Papierchemie von Professor Dr. Markus Biesalski. „Und genau diese natürliche Bewegung der Zellen wollen wir technisch auch in Zellkulturen verwirklichen, um die Aussagekraft der Tests zu verbessern“, ergänzt Schmitt, die mit ihrer Erfahrung im Bereich mikromechanischer Aktoren die Bewegung ins Projekt bringt.

Forschungsvorhaben haben 2017 eine Bewilligung erhalten.

Piezoaktoren aus Keramik – die zentralen Bauelemente des innovativen „Bewegungsapparates“.

Die beiden Wissenschaftler haben ein Gerät entwickelt, mit dem Zellen nun Bewegungsreizen ausgesetzt und zur selben Zeit unter dem Mikroskop untersucht werden können. „Ich bin von der Idee vollends überzeugt“, sagt Meckel. „Aber nur, wenn das Verfahren am Ende einfach, kostengünstig und praktikabel ist, können wir auch andere Kollegen dafür gewinnen. Wir sind daher sehr froh, dass wir die Unterstützung des Pioneer Fund haben. Nur so können wir unsere Idee um wichtige wissenschaftliche Daten ergänzen, die wir brauchen, um die Relevanz unserer Idee für die Praxis zu verdeutlichen.“

Ob die bewegten Zellkulturen oder eines der anderen Projekte einmal zu einem Start-up oder mit einem Partner aus der Industrie umgesetzt werden, kann heute noch niemand sagen. Ein Anfang ist aber gemacht!

ENTEGA NATURpur Institut

Das ENTEGA NATURpur Institut wurde 2008 als gemeinnützige GmbH gegründet, deren Aufgabe die Förderung des Umwelt- und Klimaschutzes ist. Das Institut unterstützt seitdem ausgewählte Forschungs- und Anwendungsprojekte in den Bereichen Energieeffizienz und Erneuerbare Energien.

    Aufgaben:

  • Förderung des Umwelt- und Klimaschutzes, insbesondere mit dem Fokus auf die Region.

  • Auswahl von geeigneten Kooperationspartnern aus Wissenschaft und Forschung.

  • Verwirklichung von Projekten mit externen Partnern, die zur Ressourcenschonung und einer modernen Daseinsvorsorge beitragen.

  • Anregung des öffentlichen Diskurses zu den Themen Klimaschutz, Energieeffizienz und Innovation.

DEM ZUFALL AUF DIE SPRÜNGE HELFEN

Wer als Kind vom Fahrrad gefallen ist, weil er viel zu schnell um die Ecke gebraust ist, der weiß: Aus Erfahrung wird man klug! Was aber passiert, wenn Erfahrungen und Routinen eher hinderlich sind, weil sich die Umstände gravierend verändern haben. Dann kann es sein, dass die Erfahrung neuen Lösungen eher im Wege steht.

Folgendes Experiment: In einer leeren Glasflasche sind eine Biene und eine Fliege eingesperrt. Der Flaschenhals ist nicht verschlossen, die Tiere können hinausfliegen. Jetzt wird die Flasche mit dem Flaschenboden nach oben ins Sonnenlicht gehalten – die rettende Öffnung befindet sich nun also unten, vom Licht abgewandt. Finden die Tiere noch den Weg nach draußen? Die Biene krabbelt unaufhörlich oben am Flaschenboden herum, sucht ihn nach einer Öffnung ab. Denn: Sie weiß, dass es hilft, dem Licht entgegenzufliegen. Allerdings scheitert das Vorhaben in diesem Fall, denn nach oben gibt es kein Entkommen. Die Fliege hingegen fliegt planlos umher – und findet den rettenden Ausgang eher zufällig. So überlebt sie, während die Biene stirbt. Dieses Experiment aus der Innovationsforschung zeigt: Mitunter kann es falsch sein, den eingeübten Routinen und Erfahrungen „blind“ zu folgen. Und das gilt vor allem in Krisenzeiten – wenn die Verhältnisse auf dem Kopf stehen. In solchen Momenten hilft „Kollege Zufall“ manchmal mehr als gelernte Routine.

ENTDECKERFREUDEN

Neue Ideen kommen oft durch Zufall in die Welt. Sie ergeben sich häufig aus dem, was schon da ist, und sind gar nicht „vollkommen neu“. Auch in Unternehmen ist es daher wichtig, Räume und Strukturen zu schaffen, in denen der Zufall sowie das freie und unbefangene Spiel mit der Kreativität Raum einnehmen dürfen und in denen es auch erlaubt ist, Fehler zu machen. Denn das Neue hält sich eben eher selten an lange ausgearbeitete und vorgefasste Pläne und Regeln – es lebt vor allem vom Unerwarteten und dem Überfluss der Möglichkeiten.

BUNTE DENKZETTEL

Jeder kennt sie, die bunten Notizzettel, die sich aufkleben und wieder ablösen lassen. Ihre Erfindung aber war keineswegs von langer Hand geplant. Spencer Silver, Mitarbeiter des amerikanischen Unternehmens 3M aus Minnesota, wollte 1968 einen neuen Superkleber erfinden. Was er entwickelte, war allerdings nur eine schlecht klebende Masse – nicht gerade das, was er wollte. 1974 aber erinnerte sich ein Kollege Silvers an diesen „Superkleber“. Als begeisterter Chorsänger ärgerte sich Art Fry immer wieder, dass die Zettel, die er zum Markieren von Liedern in Gesangsbüchern benutzte, stets verrutschten. Also verbesserte er die Eigenschaften des Klebers, sodass er sich spurenlos wieder ablösen ließ, und trug ihn zugleich auf Papier auf.

Die berühmten Post-its waren erfunden!
ÜBERRASCHUNG AUF
DER HERDPLATTE

Der Chemiker Charles Nelson Goodyear hatte sich das Ziel gesetzt, Naturkautschuk haltbar zu machen. Daher vermischte er den Stoff immer wieder mit verschiedenen chemischen Zusätzen. Aber der Erfolg stellte sich nicht ein. Denn wenn der Kautschuk warm wurde, war er zu weich und klebrig. Wurde er kalt, wurde er spröde und brach. 1839 aber kam Goodyear schließlich der Zufall zu Hilfe: Ein Stück einer Kautschuk-Schwefel-Mischung fiel ihm versehentlich auf eine heiße Herdplatte. Aber die Masse verhielt sich ganz anders als erwartet: Sie war trocken, elastisch und stabil. Goodyear hatte die Vulkanisierung entdeckt und damit zugleich einen neuen Stoff erfunden – Gummi.

EINFACH VERGESSEN

Als er sie nach den Ferien wiederfand, die Überraschung: Auf dem Nährboden hatte sich ein Schimmelpilz ausgebreitet, in dessen Nähe die Bakterien sich nicht vermehrten. Der Schimmelpilz Penicillium notatum hat eine bakterien­tötende Wirkung. Zehn Jahre später entwickelten andere Forscher daraus ein Medikament – und bekamen gemeinsam mit Fleming für ihre Forschungen den Nobelpreis.

Im Winter 1905 – so wird es erzählt – vergaß der elfjährige Frank Epperson ein Glas mit selbst gemachter Limonade und einem Löffel draußen vor der Tür seines Elternhauses. Die Nacht in Kalifornien aber war kalt und die Limonade fror ein. Als Epperson das Glas am nächsten Morgen entdeckte, hatte er eine Idee, die er als Erwachsener 1923 patentieren ließ: das erste Eis am Stiel!