6018_08.2009

AusgAbe 14 || August 2009

Das Magazin für Technik und Management

Der Fall „Comet“ Wie die Flugzeugfenster ihre heutige Form fanden

Dig italer P i lotenkofferAktuellere Informationen versprechen mehr Flugsicherheit

Datentransfer im Weltall

Kommunikation per Laser

Rita Meier

und der Karabinerhaken >>

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AusgAbe 14 || August 2009

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Brunel GmbH, Redaktion „Der Spezialist“Airport City, Hermann-Köhl-Str. 1, 28199 Bremenredaktion@der-spezialist.de, www.der-spezialist.deTelefon 0421 / 1 69 41-14

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Drs. Johan Arie van Barneveld, RA, CEO, Brunel Internatio-nal N. V., General Manager Brunel GmbH

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Sofern nicht abweichend, alle Angaben als Bildnummern: GfG / Gruppe für Gestaltung (Titel, U 2), Brunel GmbH (S. 03), Dr. Martin M. Roth (S. 06), Panthermedia (01, 30, 33), Astrophysikalisches Institut Potsdam (AIP) (02–03), NASA (04, 06), Loránd Eötvös University Gothard Astrophysical Observatory (S. 10), dpa Picture-Alliance (05, 07–10, 13, 19), Dr. Michael Geffert (S. 12), Prof. Dr. Andrea Robitzki (S. 18), Biotechnologisch-Biomedizinisches Zentrum (BBZ) der Universität Leipzig (11–12), Sonia Carramiñana (S. 22), Deutsche Lufthansa AG (14–16), Axel Hess (S. 26), Fotolia (17–18, 26), Prof. Frieder Häfner (S. 29), GFZ Deutsches GeoForschungsZentrum (S. 30), Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG (S. 32, 21–23), Hans Deumling (25), Litracon (27, 29), Montblanc, Japan (28), Áron Losonczi (S. 41), Dr. Stefan Linden (S. 42), Universität Karlsruhe (31–32)

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Sowohl im Beruf als auch beiihrem Hobby, dem Klettern, plantRita Meier genau, wie sie ihrenAufstieg sichert. „Es kommt aufStrategie an, nicht auf Kraft, dasgefällt mir“, sagt die Luft- undRaumfahrtingenieurin, die nachihrem Abschluss an der RMIT University in Melbourne nach Deutschland kam. Nach Statio-nen unter anderem bei Airbus arbeitet Rita Meier aktuell bei MTU Aero Engines in München als Projektingenieurin für Triebwerks-komponenten am Antrieb für die Boeing 787.

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03der Spez ial ist

ed itor ialAusgAbe 14 || August 2009

Der Spez ial iSt

liebe leSerin, lieber leSer,

mit seinem ersten Fernrohr konnte Galileo Galilei im Jahr 1609 bereits Sterne in 400 Lichtjahren Entfernung sehen. Heute fangen Astronomen mit moder-nen Teleskopen Einzelsterne in Galaxien ein, die einige Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt liegen. Eine enorme technische Entwicklung, die wir zum Anlass genommen haben, einmal genau nachzufragen, vor welchen Fra-gen und Herausforderungen die Astronomen heute stehen. Die größten Rät-sel geben den Forschern die Dunkle Materie und die Dunkle Energie auf, die zusammen 95 Prozent des gesamten Universums ausmachen. Für beides gibt es bisher keine stichhaltige Erklärung. Im Interview verriet uns Dr. Michael Geffert, Koordinator der Deutschen Aktivitäten im Internationalen Astrono-miejahr 2009, auf welchem Stand die astronomische Forschung in Deutsch-land im Vergleich zu anderen Ländern ist. Aus dem Weltraum auf die Erde: Immer wieder werden Entwicklungen aus der Luft- und Raumfahrt adaptiert und manche von ihnen, wie etwa der Klettverschluss an unserer Kleidung, sind heute aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Wussten Sie beispielsweise, dass der Strichcode, den wir auf allen Waren finden, ursprünglich von der NASA für den Space Shuttle entwi-ckelt wurde? Mithilfe des Codes wurden Millionen von Einzelteilen der Raum-sonden verwaltet. Heute findet diese Entwicklung weltweit Anwendung in der Warenlogistik. Ein weiteres Beispiel für die branchenübergreifende Nut-zung von Kompetenzen und Synergien sind Faserverbundstoffe. Sie sollten ursprünglich Raumfähren leichter machen und gleichzeitig Kosten für den Transport ins Weltall senken. Mittlerweile sind sie in der Luftfahrt, Automo-bilindustrie und der Medizintechnik im Einsatz. Lassen wir uns überraschen, welche Branchen zukünftig noch folgen. In diesem Sinne wünsche ich Ihnen viel Freude beim Lesen!

Mit herzlichen Grüßen

Drs. Johan Arie van Barneveld, RA, CEO, Brunel International N. V.,General Manager, Brunel GmbH

kurz notiert

04 der Spez ial ist

D ie Sterne fest im bl ick

Was im Weltall passiert, fasziniert die Menschen schon immer. Die Astronomie strebt nach dem Verständnis des Universums als Ganzes, seiner Entstehung und seines Aufbaus. Schon vor 400 Jahren haben sich Forscher nicht aufhalten lassen, die Grenzen zum Nicht-mehr-Sicht-baren auszudehnen.

Meilensteine

Von den Anfängen der Astronomie sind die Mög-lichkeiten, Himmelskörper, Materie und Strahlung im Weltall zu beobach-ten, in wesentlichen Schritten vorangegangen. Die Entwicklung zeigt Enormes: Hubble kann heute eine halbe Milliarde Mal so weit sehen wie damals Galileo mit seinem Fernrohr.

inhalt

05der Spez ial ist

inhaltAusgAbe 14 || August 2009

Der Spez ial ist

Seite 06

Seite 11

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Seite 42

im fokus: 95 Prozent des universuMs sind unsichtbArNeue Teleskop-Technologie soll Licht ins Dunkel des Weltalls bringen

im gespräch: unser PlAtz iM universuMDr. Michael Geffert zu Dunkler Energie, Dunkler Materie und Exoplaneten

History: der FAll „coMet“Rätselhafte Flugzeugabstürze führten zu technischen Innovationen

Forschung & Wissenschaft: Mini-lAbor iM 3-d-biochiPBio-Chip vereinfacht Tests bei der Entwicklung neuer Medikamente

technische projekte: digitAler PilotenkoFFerMit dem Electronic Flight Bag (EFB) zum „papierlosen Cockpit“

brunel Kompetenz: Wohin geht der Flug?Brunel Spezialist Norbert Grottke über Trends in der Luft- und Raumfahrt

aus den branchen: energie Aus der erdeDas Potenzial von Geothermie sichert künftig effizienten Energiemix

technische projekte: dAtentrAnsFer iM WeltAllLasertechnologie ermöglicht Datenübertragung zwischen Erde und All

mitarbeiter und karriere: PrAxis und ProMotionAdrian Markgraf setzt auf Value Engineering und Target Costing

Querdenken: Wände Mit durchblickEingebettete Glasfasern sorgen für lichtdurchlässigen Beton

panorama: unsichtbArkeit durch oPtisches MetAMAteriAlDr. Stefan Linden kommt dem Phänomen der Unsichtbarkeit auf die Spur

termine

impressum

Audio-Version unter: www.brunel.de/podcast

› seite 14Materialermüdung war die

Ursache für eine mysteri-öse Unfallserie der Comet. Die eckigen Fenster waren Ausgangspunkte der Riss-

bildung.

› seite 22Lufthansa plant noch in

diesem Jahr, die gesamte Flotte mit dem Piloten-

Assistenzsystem EFB auszustatten.

› seite 32Daten werden auf einen

Laserstrahl aufmoduliert und so durch den luft-

leeren Raum übertragen.

im FoKuS

06

95 prozent des universums s ind unsichtbar

Die Wissenschaftswelt steht vor einem Rätsel: Obwohl Astronomen und Astrophysiker das Uni-versum seit vierhundert Jahren mit immer leis-tungsfähigeren Teleskopen und Analysemetho-den durchmustern, sind bis heute gerade einmal fünf Prozent der im Kosmos enthaltenen Energie und Masse (beide sind nach Albert Einstein äqui-valent zueinander) direkt beobachtbar. Für sage und schreibe 95 Prozent des Universums gibt es lediglich indirekte, zum Teil vage, zum Teil auch anders interpretierbare Hinweise. Weil diese 95 Prozent für die Astronomen unsichtbar sind, spre-chen sie von Dunkler Energie und Dunkler Mate-rie. Überall auf der Welt arbeiten Forschergrup-pen mit Hochdruck daran, Licht in dieses Dunkel zu bringen.

Am Astrophysikalischen Institut Potsdam (AIP) haben Dr. Martin M. Roth und seine Kollegen ein weltweit einmaliges Instrument entwickelt, das bei der Suche nach den dunklen Seiten des Uni-versums wertvolle Dienste leistet: Das Potsdam Multi-Aperture Spectrophotometer (PMAS) ist seit 2001 am 3,5-Meter-Spiegelteleskop des Calar-Alto-Observatoriums in Südspanien installiert. Der Standort ist besonders geeignet, da Obser-vatorien möglichst in wüstenartigen Landstri-chen und hoch über den Meeresspiegel liegen

müssen. Denn hier ist ein gutes Beobachtungs-wetter ebenso gewährleistet wie minimale Stö-rungen durch atmosphärische Turbulenzen. Das PMAS zerlegt ein Teleskopbild, das in mehrstün-diger Belichtung gewonnen wurde, in mehrere hundert Flächenelemente und gewinnt für jedes Element ein eigenes optisches Spektrum. Im Jahr 2004 wurde das Spektrometer noch weiterent-wickelt. PMAS-Teamleiter Roth erläutert die In- novation: „PPAK steht für PMAS Fiber Pack. Ein spezielles Glasfaserbündel vergrößert das Ge-sichtsfeld so weit, dass jetzt mit einer einzigen Belichtung eine ganze Galaxie vermessen werden kann.“ Mit dem PPAK-Faserbündel, das aus 381 Lichtleitfasern besteht, die in der Fokalebene (Bil-debene) des Teleskops eine Fläche von etwa fünf mal fünf Millimetern bedecken, hat das Spektro-meter am Calar-Alto-Observatorium unter welt-weit vergleichbaren Geräten derzeit das größte Gesichtsfeld. Genau das, was die Astromomen für die Untersuchung von Dunkler Energie und Mate-rie brauchen. Wer die Leistungsfähigkeit des Instruments wirklich verstehen will, muss zunächst auf einen Ausflug in die dunklen „Abgründe“ unseres Uni-versums gehen. Im Jahr 1998 machten zwei Grup-pen von Astronomen unabhängig voneinander eine beunruhigende Entdeckung: Präzise Analy-sen ferner Supernovä (Sternexplosionen) legten den inzwischen auch von anderen Forschern bestätigten Schluss nahe, dass sich das Univer-

tex t › Dr. Ralf Schrank

Um endlich Licht ins Dunkel des Universums zu bringen, haben Forscher vom Astrophysika-lischen Institut Potsdam das Multi-Aperture Spectrophotometer entwickelt. Mit einem zusätz-lichen speziellen Glasfaserbündel machten sie das Calar-Alto-Observatorium in Spanien zum Teleskop mit dem derzeit weitesten Gesichtsfeld für 3-D-Spektroskopie.

der Spez ial ist

Porträt

Dr. Martin M. Roth vom Astrophysikalischen Institut Potsdam erforscht mit einer Arbeitsgruppe die Verteilung der Dunklen Materie in und um ein-zelne Galaxien.

› 01Die Astronomie gilt als die älteste Wissenschaft der Menschheit. Um das Universum zu erforschen, bedarf es gewaltiger Apparate, Teleskope und Satelliten.

gAnze gAlAxien Mit nur einer einzigen belichtung verMessen

›01

08 der Spez ial ist

sum seit einigen Milliarden Jahren immer schnel-ler ausdehnt. Bis dahin war anerkannte Lehr-meinung, dass die Anziehungskraft der seit dem Urknall auseinanderdriftenden kosmischen Materie die Expansion allmählich verlangsamen müsse. Der Grund: Seit den Sechzigerjahren geht man davon aus, dass zusätzlich zur gewöhnlichen Materie, aus der auch wir Menschen bestehen, das Universum noch eine andere, unsichtbare Mate-rieart enthalten muss. Diese sogenannte Dun-kle Materie wird auf 85 Prozent der insgesamt im Universum enthaltenen Materie geschätzt. Ihre Zusammensetzung ist bis heute ungeklärt. Für ihre Existenz aber gibt es überzeugende Belege. Die Umlaufgeschwindigkeit von Gaswolken und Sternen in Spiralgalaxien, wie zum Beispiel in unserer Milchstraße, ist so groß, dass die beob-achtbare Materie allein zu ihrer Erklärung mit-hilfe der bekannten Gravitationsgesetze nicht

ausreicht. Und auch die Kinematik in einigen Galaxienhaufen lässt sich nur dann vernünftig interpretieren, wenn die Haufen viel mehr Masse enthalten als sichtbar ist. Gerade diese große Menge an Dunkler Materie müsste die Expansion des Weltalls aufgrund ihrer Gravitation eigent-lich nachhaltig stoppen. Seit 1998 jedoch steht fest: Sie ist dazu nicht in der Lage. Es muss also eine gewaltige Gegenkraft geben, die stärker ist als die Schwerkraft und die Galaxien unerbittlich auseinander treibt – die Dunkle Energie. Obwohl noch nicht direkt nachgewiesen, muss sie 70 Pro-zent des Universums ausmachen. Zusammen mit 25 Prozent Dunkler Materie hat die Astronomie damit heute für 95 Prozent des gesamten Univer-sums keine stichhaltige Erklärung. Die Astronomen brauchen mehr Informatio-nen über ausgedehnte kosmische Raumberei-che, also Galaxien und Galaxiehaufen, um das

›02

› 02Das 3,5-Meter-Teleskop, das größte von drei Teleskopen im Calar-Alto-Observato-rium in Spanien.

im FoKuS

09der Spez ial ist

Geheimnis dieser dunklen 95 Prozent zu lüften. Und genau das ist mit der Potsdamer Erfindung möglich. PMAS ist ein Instrument zur 3-D-Spek-troskopie, in der Fachwelt auch als Integral Field Spectroscopy bezeichnet. Ein zweidimensionales Beobachtungsfeld wird in einige hundert Flä-chenelemente zerlegt. Das Licht jedes dieser soge-nannten Spaxel (Spatial Elements) wird simul-tan in ein optisches Spektrum aufgespalten. Mit einer einzigen Belichtung erhalten die Astro-nomen am Calar-Alto-Observatorium auf diese Weise einen dreidimensionalen „Datenwürfel“, der in der x- und y-Richtung die räumlichen und in der -Richtung ( ist das Symbol für Wellenlän-gen) die spektralen Eigenschaften des beobachte-ten Feldes wiedergibt.

Und so funktioniert das PMAS: Das Bild in der Fokalebene des Teleskops wird vergrößert und auf ein zweidimensionales Linsenarray von kleinen, quadratischen Linsen abgebildet, die jeweils das einfallende Licht in eine zugeordnete Glasfaser einfädeln. Jede Faser repräsentiert also ein Spa-xel. Das Faserbündel führt das Licht zum eigent-lichen Spektrometer, für das das Unternehmen Carl Zeiss in Jena eigens eine lichtstarke Hochleis-tungsoptik entwickelt hat, die mehrere Hundert Spektren gleichzeitig erzeugen kann. Jedes Spek-trum umfasst einen weiten Aufnahmebereich: vom nahen Ultraviolett (350 Nanometer) über den sichtbaren Bereich (400 bis 700 Nanometer) bis zum nahen Infrarot (1 Mikrometer). Die Spek-tren aller Spaxels werden auf einem hochemp-findlichen CCD-Sensor (charge-coupled device) abgebildet – ein Siliziumchip mit 4096 mal 4096 Bildpunkten (Pixel), wie er auch in Digitalkame-ras Verwendung findet. Die Auswertung der Datenflut, die der CCD-Sensor liefert, ist ein Kunststück für sich. AIP-Forscher Roth weist auf die besonderen Bedin-

gungen bei der Beobachtung sehr ferner und damit lichtschwacher Objekte hin: „Nach acht Stunden Belichtung hat man für jedes Spektrum oft nur einige Hundert Photonen, also Lichtteil-chen, gesammelt. Störungen durch energiereiche Teilchen oder durch elektronische Effekte, aber auch fehlerhafte Pixel oder Zeilen des CCD, die bei der kommerziellen Digitalkamera überhaupt keine Rolle spielen, können die Messergebnisse in unserem Fall dramatisch verfälschen.“ Eine leis-tungsstarke Software muss die Fehler erkennen und die Daten korrigieren. Zum Schluss ordnet der Computer die Spektren zum bereits beschrie-benen Datenwürfel an, den die Astronomen dann ihrer speziellen Fragestellung entsprechend aus-werten können. PMAS/PPACK erleichtert astronomische Unter-suchungen ganz erheblich, weil statt hunderten von stundenlangen Belichtungen eine einzige reicht. Vor allem für die beschwerliche Suche nach der Dunklen Materie und der Dunklen Energie ist das hilfreich. So hat Prof. Marc A. W. Verheijen von der Universität Groningen, der PMAS am AIP als Postdoktorand mitentwickelt hat, die Dyna-mik von etwa fünfzig nahe gelegenen Spiralga-laxien untersucht, um der Verteilung der Dun-klen Materie in ihnen auf die Spur zu kommen. Die Ergebnisse werden demnächst publiziert. Und

›03

› 03Optische Glasfasern leiten das Licht zu einem hoch-effektiven Spektrographen. Jede einzelne Faser be -obachtet einen Bildpunkt mit einem Durchmesser von 2,7 Bogensekunden am Himmel.

die sPektren reichen voM nAhen ultrA-violett bis zuM nAhen inFrArot

im FoKuS

10 der Spez ial ist

geschichte und grundlAgen

Die Astronomie zählt zu den ältesten Wissenschaften überhaupt. Bereits die frühen Hochkulturen (Babylonier, Ägypter, Chinesen) betrieben eine systematische Himmelsbeobachtung, um astronomische Ereignisse wie Sonnen- und Mondfinsternisse vorauszuberechnen, Kalender anzulegen und die Zeit zu bestimmen. Dabei galt die Erde als Mittelpunkt des Universums. Erst mit dem Beginn der modernen Naturwissenschaften nach 1500, vor allem mit Newtons Gravitationsgesetz, setzte sich ein heliozentrisches Weltbild durch.

Die Erfindung des Fernrohrs leitete die kontinuierliche Entwicklung immer leistungsfähigerer Teleskope ein und erweiterte die Beobachtungsmöglichkeiten der Astronomen. Ein weiterer Meilenstein auf dem Wege zum heu-tigen Verständnis des Universums war Ende des 19. Jahrhunderts die Einführung der Spektroskopie in die Astrono-mie. Mit dieser „Zerlegung“ des Lichts in seine Farbbestandteile bzw. Wellenlängen konnten die Astronomen das von Himmelsobjekten ausgehende Licht jetzt auch zur Bestimmung ihrer chemischen Zusammensetzung nutzen.

Anhand ihres charakteristischen Absorptions- und Emissionsverhaltens lassen sich Atome und Moleküle selbst in entfernten astronomischen Objekten bestimmen. Allerdings sind die Spektren umso mehr zu längeren Wellenlängen verschoben, je entfernter die Objekte sind. Hubble deutete diese Rotverschiebung 1929 als optischen Dopplereffekt*: Alle fernen kosmischen Objekte bewegen sich von uns weg. Er schloss auf eine Expansion des Universums seit einem theoretischen Anfangspunkt, dem Urknall (Big Bang). Damit begründete er das heute gültige Weltbild der Astronomie, das von einem Alter des Universums von 13,6 Milliarden Jahren ausgeht.

* Den akustischen Dopplereffekt kennt jeder: Der Sirenenton eines Polizeifahrzeugs klingt tiefer, wenn es sich entfernt, das heißt, der Schall ist langwelliger. Der Effekt ist umso stärker, je schneller das Auto fährt.

Edwin Powell Hubble

›04

› 04Die mit PPAK gewonnenen Aufnahmen zeigen Ga-laxien in hervorragender Übereinstimmung mit direkten Bildaufnahmen,hier zum Beispiel M81 aus dem Palomar Bildatlas (POSS).

selbst irdische Fragestellungen könnten sich mit dem Potsdamer 3-D-Spektrophotometer lösen las-sen. Dazu entsteht am AIP gerade im Rahmen der Hightech-Strategie der Bundesregierung das Leib-niz-Applikationslabor für faseroptische Spektro-skopie und Sensorik. Das Labor wird den Tech-nologietransfer aus der Grundlagenforschung in die Wirtschaft unterstützen. Denkbar ist zum Bei-spiel der Einsatz des 3-D-Spektrophotometers in der pharmakologischen Wirkstoffprüfung, bei der sich ein Raster aus Hunderten bis Tausenden von Proben sehr schnell spektral prüfen ließe. Oder der Einsatz in der Krebsfrüherkennung innerer Organe: Anstatt Gewebeproben einzeln zu ent-nehmen und im Labor langwierig zu analysieren, ließen sich die endoskopisch gewonnenen Bil-der von vermeintlich malignem, also bösartigem Gewebe per 3-D-Spektroskopie schnell spektral untersuchen. Dunkle Energie und Krebsdiagnose: Mit der Entwicklung von PMAS/PPACK haben die

Wissenschaftler am AIP ein Instrument entwi-ckelt, das die entferntesten Regionen des Univer-sums genauso durchmustern kann wie winzige Proben auf der Erde.

im geSpräcH

11der Spez ial ist

intervieW › Maren Winter

Der Spezialist: Herr Dr. Geffert, warum und für wen ist das Wissen um das Weltall wichtig?

Dr. Michael Geffert: In der Astronomie geht es hauptsächlich darum, dass der Mensch seinen Platz im Universum erkennen und verstehen soll. Das Wissen dient also in erster Linie den Men-schen. Auf die Wirtschaft hat die Astronomie kei-nen direkten Einfluss. Es besteht aber natürlich eine Wechselwirkung zwischen der Astronomie und Unternehmen, die Technologien entwickeln, von denen die astronomische Forschung lebt.

Der Spezialist: Mit welchen Forschungsfragen beschäftigen sich die Astronomen derzeit inten-siv?

Dr. Geffert: Da möchte ich drei Themen nennen: Dunkle Energie, Dunkle Materie und Exoplaneten. Bei der Forschung um die Dunkle Energie geht es darum, die Anfänge des Universums zu verste-hen. Mit der Dunklen Materie wird versucht zu erklären, warum Galaxien mit einer bestimmten Geschwindigkeit rotieren. Damit ist es möglich, die in der Galaxie befindliche Masse auszurech-nen. Die Exoplaneten behandeln die Frage, ob es außerhalb unseres Sonnensystems Planeten gibt, die um weitere Sterne kreisen.

Der Spezialist: Auf welchem Stand ist die Tech-nik, die zur Beantwortung dieser Fragen einge-setzt wird?

Dr. Geffert: Zunächst einmal möchte ich sagen, dass die Astronomen eigentlich nie zufrieden sind mit der Technik, da sie immer mehr errei-chen möchten. Generell besteht die Forschung aus einer Wechselwirkung zwischen Theorie und Beobachtung. Bei der Dunklen Materie beispiels-weise ist die Rotation der Spiralgalaxien, also der Sternsysteme, die unserer Milchstraße ähneln, zu schnell, als dass wir sie auf herkömmliche Weise verstehen können. Also handelt es sich bei der Dunklen Materie entweder um eine neue Form von Materie oder das von uns angewendete Gra-

unser platz im universum

Der technische Fortschritt erlaubt es den Astronomen, mithilfe immer größerer Teleskope immer tiefer ins All zu sehen. Ihr Hauptaugenmerk richtet sich im „Jahr der Astronomie“ vor allem auf Dunkle Materie, Dunkle Energie und Exoplaneten. Dr. Michael Geffert im Gespräch über aktuelle Forschungsfragen und Erkenntnisse.

›05

› 051609 präsentierte Galileo

Galilei dem Dogen und den Senatoren von Venedig sein Teleskop, das mit kon-

vexen und konkaven Linsen arbeitete.

dunkle MAterie bringt bek Annte Physi-k Alische gesetze An ihre grenzen

12 der Spez ial ist

vitationsgesetzt ist unzureichend, um die Rota-tion zu verstehen. Um den wahren Grund heraus-zufinden, müssen Bewegungen von Objekten am Rande der Milchstraße gemessen werden. Hier ist die Technik auf einem guten Weg.

Der Spezialist: Eines der wichtigsten Werkzeuge der Astronomie ist das Teleskop. Welche Weiten können damit heute erschlossen werden?

Dr. Geffert: Lassen Sie mich diese Frage mit einem Vergleich beantworten: Galileo Galilei hatte ein Fernrohr mit einer Öffnung von ein paar Zentime-tern. Das größte Teleskop heute hat einen Spie-geldurchmesser von 16 Metern. Daher sind heute auch wesentlich schwächere Sterne zu sehen als vor 400 Jahren; Galilei konnte Sterne in etwa 400 Lichtjahren Entfernung beobachten, heute sehen wir Einzelsterne in Galaxien, die einige Millio-

Porträt

Der Physiker Dr. Michael Geffert ist am Argelander-Institut der Universität Bonn für die Öffentlich-keitsarbeit verantwortlich und Koordinator der Deutschen Aktivitäten im Internationalen Astrono-miejahr 2009.

im geSpräcH

13der Spez ial ist

nen Lichtjahre entfernt sind. Ein Lichtjahr, also die Strecke, die das Licht in einem Jahr zurücklegt, beträgt etwa 9,5 Billionen Kilometer.

Der Spezialist: Im Vergleich zu anderen Ländern: Wo steht die Technik und damit die astrono-mische Forschung in Deutschland?

Dr. Geffert: Das ist schwer zu sagen, denn die astronomische Forschung ist heutzutage eher eine internationale Teamarbeit. Das sichtbarste Zeichen für die Internationalität ist die ESO. Die-ser Zusammenschluss aller europäischen Astro-nomen wurde gegründet, um technische Heraus-forderungen, wie beispielsweise das größte Tele-

skop mit mehr als 42 Metern Spiegeldurchmes-ser realisieren zu können. Aber auch in Deutsch-land haben wir hochkarätige Forschungspersön-lichkeiten, wie beispielsweise Professor Pavel Kroupa, Experte auf dem Gebiet der Simulation von Sternsystemen, oder Professor Peter Schnei-der, der Gravitationslinsensysteme untersucht. Was die Technik betrifft, gehört Deutschland im astronomischen Instrumentenbau zu den führen-den Nationen.

Der Spezialist: Wo will die Astronomie hin und welche technischen Fortschritte sind nötig, um diese Ziele zu erreichen?

Dr. Geffert: Die Astronomie möchte nach der Ent-deckung der ersten Exoplaneten nun solche fin-den, die unserer Erde gleichen und Sauerstoff in ihrer Atmosphäre haben. Ein weiteres Ziel ist, die Bildung der Sterne besser zu verstehen und die schnelle Rotation der Spiralgalaxien zu erklären. Durch ausgefeiltere Satellitenteleskope möch-ten die Astronomen zudem weiter entfernte Sternsys teme entdecken, um die Frühphasen des Alls zu verstehen. Um die angestrebten Ziele zu erreichen, sind zwar noch einige technologische Herausforderungen zu meistern. Ich bin aber zuversichtlich, dass wir schon bald mit den ersten Erfolgen rechnen können.

›06

› 06Hubble startete 1990

ins All. 2009 wurde das Teleskop mit neuen Instru-

menten ausgestattet und soll in Betrieb bleiben, bis

das Webb-Teleskop 2013 seine Nachfolge antritt.

deutschlAnd ist iM AstronoMischen instruMentenbAu Führend

›07

HiStory

der Spez ial ist 15

Der Fall „comet“

Die Comet von de Havilland war das erste Düsenverkehrsflugzeug. Schnell, leise und mit großer Reichweite revolutionierte das Motorenkonzept die zivile Luftfahrt. 1954 stoppte eine Unglücksserie die Erfolgsgeschichte. Die folgenden Untersuchungen der Absturzursache setzten allerdings ebenfalls Maßstäbe bei der Unglücksermittlung, die bis heute gelten.

tex t › Bastian Korte

Am 27. Juli 1949, seinem 67. Geburtstag, beschenk-te Sir Geoffrey de Havilland sich selbst. Der Mann, der schon in jungen Jahren einsitzige Doppelde-cker mit 45 PS starken Motoren baute und gegen Ende des zweiten Weltkriegs für seine militä-rischen Flugkonstruktionen zum Ritter des Empi-res ernannt wurde, schlug ein neues Kapitel der zivilen Luftfahrt auf: Die „DH 106 Comet“ hob als erstes Düsenverkehrsflugzeug der Geschichte zum Jungfernflug ab. Bis kurz vor dem Roll-out stand die Entwicklung unter strengster Geheim-haltung. Um den bis dato höchsten (12.000 Meter) und schnellsten (800 km/h) Flug einer Passagier-maschine zu vollbringen, waren seit Entstehung der Idee 1943 bei der de Havilland Aircraft Com-pany Ltd. im englischen Hatfield mehr als 25.000 Blaupausen entworfen worden.

Die Technologie der Strahl- bzw. Düsentrieb-werke, die im Krieg ihre wesentlichen Anfänge fand, rückte gegen Ende der Vierzigerjahre in den zivilen Fokus der Ingenieure. Diese Trieb-werke saugen die Umgebungsluft an, verbren-nen damit den Treibstoff und stoßen die heißen Verbrennungsgase als Antriebsstrahl wieder aus. Die Schubkraft wird durch eben diesen Rückstoß erzeugt. Die Comet verfügte über vier in die Trag-flächenwurzeln integrierte Düsenturbinen mit je

2.300 Kilopond (ca. 22.555 Newton) Standschub. Sie degradierte die bisher in der zivilen Luft-fahrt genutzten Kolbenmotorenmaschinen, häu-fig unwirtschaftliche Weiterentwicklungen von Militärflugzeugen, zum Verkehrsmittel zweiter Klasse. Denn sie war nicht nur doppelt so schnell und machte so Zwischenstopps überflüssig, sie flog zudem wesentlich geräusch- und vibrations-ärmer. Gesteigerte Flughöhen zur Umgehung von Unwettern und im Vergleich zu den komplizierten Zündanlagen kürzere Wartungs- und Austausch-zeiten bildeten weitere Vorzüge. Geoffrey de Havilland und die Behörden wollten jedoch nichts überstürzen. Sie setzten auf langwierige Tests in Hochgeschwindigkeits-

›08

› 07Der erste offizielle Linienflug der Comet: 36 Ehrengäste flogen von Lon-don nach Johannesburg. Mit zwei Zwischenstopps dauerte die Reise 23 Stun-den und 30 Minuten. Eine Kolbenmotorenmaschine brauchte damals für die Strecke etwa 48 Stunden.

› 08Sir Geoffrey de Havilland in seiner DH.60 Moth beim Kings Cup Air Race.

die coMet degrAdiert Alle kolbenMoto-renMAschinen

16

HiStory

der Spez ial ist

windkanälen sowie mit Versuchsträgern: Ältere Flugmodelle, die jeweils durch eine oder meh-rere Komponenten der geplanten Comet modi-fiziert wurden, um deren Verhalten in der Luft zu prüfen. De Havilland hatte zwei seiner drei Söhne bei tödlichen Abstürzen in firmeneigenen Maschinen verloren und bestand daher auf die strengen Kontrollen. Am 22. Januar 1952 stellte das britische Ministerium für Zivilluftfahrt der Comet schließlich das erste Lufttüchtigkeits-zeugnis für einen Düsenverkehrsflieger aus. Die Fluggesellschaft British Overseas Airways Cor-poration (BOAC) übernahm nach umfangreichen Streckenerprobungs flügen mit insgesamt 1.500 Flugstunden die Comet in den Liniendienst. Das Prestigeobjekt der nationalen Luftfahrt Großbri-tanniens wurde zunehmend zum Publikumsma-gneten: Landeerlaubnisse verzögerten sich bis-weilen, da das Rollfeld von Schaulustigen geräumt werden musste. Es schien, als wäre die Vormacht-stellung de Havillands und des gesamten Empi-res im zivilen Luftverkehr auf Jahrzehnte hinaus manifestiert.

Doch ab Herbst 1952 ereignete sich eine Reihe von technischen Problemen bis hin zu rätsel-haften Unglücken. Rutschte die Comet in Rom zunächst nur über die Startbahn und blieb mit Totalschaden liegen, verliefen Unfälle in Paki-stan, Indien und am 10. Januar 1954 in der Nähe der italienischen Insel Elba für alle Insassen töd-lich. Bei letzterem schien die Maschine nach dem Start in der Luft schlichtweg zerplatzt zu sein. Die BOAC erließ daraufhin ein Startverbot. Da jedoch zunächst keine Indizien gesammelt werden konn-ten, schob man die Ursachen auf schlechtes Wet-ter oder Pilotenfehler und hob das Verbot am 24. März desselben Jahres wieder auf. Als 16 Tage spä-ter über dem Golf von Neapel ein weiterer Düsen-jet während des Fluges explodierte, entzogen die

Behörden der Comet das Lufttüchtigkeitszeugnis. Die Produktion in Hatfield wurde bis auf Weiteres eingestellt. Die Ursachenerforschung der Absturzserie, ins- besondere des Unglücks vor Elba, setzte Maßstä- be für nachfolgende Untersuchungskommissio-nen. Die Trümmer wurden auf einer Fläche von 250 Quadratkilometern mühsam aus 200 Metern Meerestiefe geborgen. Dabei wurde erstmals über-haupt eine Unterwasserkamera eingesetzt. Wie bei einem Puzzle konnten so rund 70 Prozent der Maschine auf einem eigens dafür gefertigten Rah-men wieder zusammengesetzt werden. Zudem wurde ein kompletter Comet-Rumpf im Royal Air-craft Establishment, der britischen Luftfahrt-Ver-suchsanstalt, mit Bleisäcken gefüllt in einem flug-zeugförmigen Wassertank versenkt. Dieser und auch die Tragflächen sollten so zyklischen Druck-schwankungen unter Realbedingungen ausge-setzt werden. Nach 9.000 simulierten Flugstun-den brach der Rumpf auseinander, da im Bereich eines Kabinenfensters ein Riss auftrat, der zu einem sofortigen Druckverlust führte. Nach der Reparatur riss die Kabine bei einem erneuten Test auf einer Länge von zwei Metern auf – wieder war die Kante eines Fensters der Ausgangspunkt. Ein Abgleich mit dem inzwischen geborgenen Rumpf des Absturzes bei Elba bestätigte den Verdacht: Materialermüdung, ein bis dato kaum bekanntes

›09

› 09„Die Maschine flog so ruhig, als würde man ein leises Auto in den Himmel steuern. Ich ertappte mich dabei, die Instrumente mit den Fingern anzutippen, um sicher zu sein, dass die Zeiger nicht klemmten“, sagte Geoffrey de Havilland jun., nach sei-nem ersten Flug mit einem düsenbetriebenen Flugzeug im Herbst 1943.

rätselhAFte unFälle Führen zuM stArt-verbot Für Alle coMet-MAschinen

HiStory

17der Spez ial ist

Phänomen, war Schuld an den Abstürzen. Sie war dort aufgetreten, wo die größte strukturelle Belas-tung herrscht, an rechtwinkligen Kanten. Die Ver-nietung an den Fenstern forcierte das Problem, da sie mikroskopisch kleine Risse verursachte, die sich von Flug zu Flug ausdehnten.

Vier Jahre nach dem letzten Flug einer Comet 1 stellte die Firma de Havilland die verbesserte Comet 4 vor. Die Neuauflage hatte eine Alumi-nium-Kupfer-Legierung, die um 80 Prozent dicker und belastbarer war, als die vorher genutzte Alu-minium-Zink-Hülle. Zudem wurden die Düsen vom Rumpfheck weggerichtet, um Korrosionen durch Abgase zu vermeiden. Die markantesten Innovationen waren aber die heute noch gän-gigen ovalen Fenster sowie die mit einem voll-automatischen Sauerstoffsystem ausgerüstete Druckkabine, aus deren Decke im Falle eines plötz-

lichen Druckverlustes über jedem Sitz eine Atem-maske herunterfiel. Die Comet 4 schaffte 1958 als erstes Passagierflugzeug den direkten Atlantik-überflug. Allerdings lief der US-Konkurrent Boeing den Briten den Rang als Marktführer ab und pro-fitierte dabei von den genannten technischen Neuerungen. Zudem entpuppte sich das Konzept „geringere Flugpreise, dafür mehr als doppelt so viele Passagiere pro Flug“ als wirtschaftlicher. Ohne das Vertrauen der Fluggesellschaften und der Regierung wurde die Comet 4 ein Verlust-geschäft und de Havilland Aircraft Company Ltd. von der Hawker-Siddeley-Gruppe aufgekauft. Der Markenname de Havilland wurde 1963, zwei Jahre vor Sir Geoffreys Tod, aufgegeben. Die Comet 4 allerdings wurde von einigen Airlines bis ins Jahr 1980 eingesetzt. Noch heute sind Weiterentwick-lungen des Jets in einer Reihe von Seeaufklärern und Transportern der Royal Air Force im Einsatz. Obwohl kommerziell gescheitert, revolutionierte dieser erste Düsenjet den Flugverkehr – er machte das Reisen komfortabler und erschwinglicher.

› 10

inFo

Daten der Comet 1: Länge 28,35 m, Spannweite 35 m, Leitwerkshöhe 8,65 m, Besatzung 4 im Cockpit + 36 bis 44 Passagiere, Flügelfläche 187,2 qm, max. Startgewicht 47.617 kg (47 Tonnen), Reisege-schwindigkeit 790 km/h, max. Reiseflughöhe 12.800 m, Reichweite 2.414 km

› 10Der Erstflug der Comet 4 erfolgte am 27. April 1958. Als erstes Passagierflug-zeug der Welt schaffte die Comet 4 den direkten Atlantiküberflug. Von die-sem Typ wurden insgesamt 28 Exemplare gebaut.

obWohl technisch innovAtiv, scheitert die coMet koMMerziell

Forschung & Wissenschaft

der Spez ial ist18

mini-labor im 3-D-b iochip

tex t › Robert Uhde

Der Weg zur Entwicklung eines neuen Medika-ments ist lang und oftmals steinig. Denn viele der in Frage kommenden Wirkstoffkandidaten erwei-sen sich nach jahrelangen Tests als unwirksam oder gar als gesundheitsschädigend. Diese teu-ren wissenschaftlichen Irrwege könnten bald der Vergangenheit angehören. Denn am Biotechnolo-gisch-Biomedizintechnischen Zentrum (BBZ) der Universität Leipzig hat eine Forschergruppe unter Leitung von Prof. Dr. Andrea Robitzki gemeinsam mit Wissenschaftlern der Technischen Universität Ilmenau einen neuartigen 3-D-Chip entwickelt. Aufbauend auf bestehende Systeme zur bioelek-trischen Auswertung von Zellkulturen, die ledig-lich für planare Gewebeschnitte geeignet waren, lässt sich damit erstmals in Echtzeit die Wirkung von Arzneimitteln auf lebende dreidimensionale Zellverbände testen. Der Vorteil: Diese bilden die Reaktionen eines Organismus optimal ab. „Mit dem neuen Chip können neue Substan-zen nicht nur wesentlich schneller, sondern auch deutlich kostengünstiger und zuverlässi-ger als bislang getestet werden“, erläutert Prof. Dr. Andrea Robitzki die Idee hinter der Weiter-entwicklung. Denn wo herkömmliche Metho-den wie die mikroskopische Untersuchung von Gewebeschnitten Wochen brauchen, ermöglicht der neue Chip innerhalb von Sekundenbruchtei-len Ergebnisse. Außerdem ließe sich mit ihm die Anzahl von Tierversuchen in der Medikamenten-entwicklung deutlich reduzieren. Denn auch län-

gerfristige Entwicklungen über einen Zeitraum von mehreren Tagen oder Wochen können mit dem Chip beobachtet werden, um so eventuelle Nebenwirkungen von Wirkstoffen zu untersu-chen. Vollständig wird man Tierversuche jedoch nicht ersetzen können, da ein noch so komplexes Zellkulturmodell nie die Situation wiedergeben kann, die im Organismus vorherrscht. Zwar ist das Zulassungsverfahren noch nicht abgeschlos-sen. Doch die bisherigen Ergebnisse der seit 2004 laufenden Forschungsarbeit sind derart überzeu-gend, dass bereits jetzt erste Industriekooperatio-nen bestehen.

Einsatzmöglichkeiten bestehen beispielsweise im Rahmen einer individualisierten Therapie – ins-besondere in der Onkologie: „Bei jedem Tumor stehen Ärzte vor der Aufgabe, das Medikament mit den höchsten Erfolgschancen auszuwählen“, so Prof. Dr. Robitzki. „Das ist oftmals sehr schwie-rig, weil jeder Tumor ganz individuell auf unter-schiedliche Wirkstoffe reagiert.“ Mit dem Chip ließen sich deutlich verbesserte Heilungschancen erzielen, denn mit ihm stünde ein sicheres Vorher-sage-Instrument für eine individuell optimierte Therapie und Medikation zur Verfügung. Der der-zeitige Prototyp ist nur im Labor einsetzbar. Zur-zeit wird aber daran gearbeitet, die Neuentwick-

Mithilfe eines neuen 3-D-Chips können die Wirkungen von Arzneien auf lebende dreidimen-sionale Zellverbände getestet werden – in Echtzeit. Durch verkürzte Entwicklungs- und Erpro-bungsphasen für neue Medikamente und individualisierte Therapien bei Krebs hoffen die Forscher nicht nur Kosten zu sparen, sondern auch die Heilungschancen zu verbessern.

Audio-Version unter: www.brunel.de/podcast

Porträt

Prof. Dr. Andrea Robitzki – Direktorin des Biotechno-logisch-Biomedizinischen Zentrums (BBZ) an der Universität Leipzig. Ihr Forschungsinteresse konzentriert sich auf den Bereich der biotechnolo-gischen Prozesstechnik und Biohybrid-Technologie.

in ein bis zWei jAhren könnte der chiP zuM klinischen AlltAg gehören

› xx

lung zum einen in der pharmazeutischen Indus-trie zur Medikamentenentwicklung und zum an - deren in der Klinik zur Diagnostik einsetzen zu können. Bis dahin ist es noch ein weiter Weg. „Aber wir hoffen, den Chip in ein bis zwei Jahren im Klinikalltag verwenden zu können“, so Prof. Dr. Robitzki.

Der rund fünf mal fünf Zentimeter große, an der TU Ilmenau gefertigte Chip funktioniert wie ein kom-plettes Mini-Labor. Auf seiner Oberfläche finden sich fünfzehn unterschiedlich große Vertiefungen, soge-nannte „Kavitäten“, in die sich mit einer Pipette die jeweiligen Gewebeproben und Wirkstoffe einbrin-gen lassen. Um testen zu können, wie der Zellver-

› 11

› 11Der 3-D-Biochip misst 49 mal 49 Millimeter und wird hier im Reinraum der Universität Leipzig unter Gelblicht getestet.

19der Spez ial ist

Forschung & Wissenschaft

der Spez ial ist20

band auf den Wirkstoff reagiert, wurden an den Außenwänden der Kavitäten jeweils vier Elektro-den integriert, die Wechselstrom durch die Gewe-beprobe leiten. Mit hochempfindlichen Messge-räten, die den vorhandenen elektrischen Wider-stand innerhalb der Probe ermitteln, können die Forscher jede noch so winzige Veränderung des Stromflusses aufzeichnen. „Daraus lässt sich dann ein individueller ‚elektronischer Fingerabdruck‘ ermitteln, der konkrete Rückschlüsse auf die Wir-kungsweise der jeweiligen Substanz ermöglicht“, erklärt Prof. Dr. Robitzki das Prinzip. „Tötet der Wirkstoff zum Beispiel untersuchte Krebszellen ab, dann werden die Zwischenräume im Gewebe größer, sodass der Strom leichter fließen kann und in kürzester Zeit der elektrische Widerstand

sinkt. Bei einem gesunden Zellverband würde das gleiche Ergebnis andererseits eine hohe toxische Wirkung des Stoffes anzeigen.“ Daneben kann der Chip auch Veränderungen der Wachstumsge-schwindigkeit diagnostizieren. „Außerdem lässt sich mit ihm erkennen, wie tief ein Wirkstoff in ein Gewebe eindringt und welche Dosierung nötig ist“, so Prof. Dr. Robitzki. Je nach gewünsch-tem Effekt lassen sich anschließend gezielte Modifikationen des Wirkstoffes vornehmen. Der Prototyp des Chips wird aus Silizium und Goldelektroden mithilfe eines nasschemischen Ätz- und Softlithographie-Verfahrens gefertigt. Die technische Herausforderung liegt dabei ins-besondere in der Fertigung der Kavitätenstruk-turen im Mikrometerbereich (derzeit 200 bis

› 12

› 12Wissenschaftler erhoffen

sich mit dem 3-D-Chip nicht nur die Entwick-

lungszeit bis zur Marktreife eines Medikamentes zu

verkürzen, sondern auch die Zahl der Tierversuche

zu reduzieren.

Forschung & Wissenschaft

21der Spez ial ist

400 µm) sowie in der Aufbringung der Elektroden und Leiterbahnen an diesen dreidimensionalen Strukturen. Bei Silizium können die Forscher auf zahlreiche Erfahrungen aus der herkömmlichen Chipfertigung zurückgreifen, Gold besitzt eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit, ist chemisch beständig und gleichzeitig biokompatibel. Die untersuchten Gewebeproben gewinnen die Forscher aus präparierten Tierorganen oder aus adulten Stammzellen. Diese stammen aus Gewebeproben von erwachsenen Menschen, die im Labor dazu angeregt werden, sich in einen spe-zialisierten Zelltyp zu entwickeln. Jede der Proben ist lediglich einen halben Millimeter klein, kann aber bis zu hunderttausend Zellen umfassen. Die Darstellung der Ergebnisse erfolgt über ein intern entwickeltes Softwareprogramm. Dies generiert aus den erfassten Daten ein Profil, das sich dann über eine weitere Software analysieren und inter-pretieren lässt. Um die gesamte Software selbst entwickeln zu können, ist das zwanzigköpfige Team nicht nur mit Biochemikern, sondern inter-disziplinär auch mit Ingenieuren und Informati-kern besetzt.

Der Chip ist generell für sämtliche Gewebe geeig-net. Bislang haben die Forscher Wirkstoffe gegen den gefährlichen Schwarzen Hautkrebs unter-sucht. Gemeinsam mit einem Partner aus der Industrie wurde außerdem ein Wirkstofftest für Herzmuskelzellen begonnen. Die dabei verwen-deten Kulturen bestehen aus mehreren tausend Herzmuskelzellen, die eine funktionelle Ein-heit bilden und daher synchron ein- bis zwei-mal je Sekunde kontrahieren. „Durch die elektro-physiologische Aufzeichnung der Kontraktionen simulieren wir also den gesamten Herzmuskel“, erklärt Prof. Dr. Robitzki. „So können wir zum Bei-spiel Wirkstoffe gegen Herzrhythmusstörungen zu verlässig auf ihre Wirkungen und Nebenwir-

kungen testen.“ Inzwischen haben die Forscher damit begonnen, erweiterte Systeme mit mehre-ren Chips zu entwickeln, um so kostengünstige Reihentests zu ermöglichen. Bislang kostet ein Chip, der für mehrere hundert Messungen ver-wendet werden kann, zwischen 200 und 500 Euro. Durch neue Materialien wie Glas oder Kunststoff, mehr Kavitäten je Chip sowie neue Herstellungs-verfahren sollen die Kosten noch reduziert wer-den.

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› 13Am BBZ der Universität Leipzig werden unter Gelblichtbedingungen 3-D-Biochips für die Dia-gnostik u. a. von Tumorge-webe vorbereitet.

erWeiterte systeMe erMöglichen kostengünstige reihentests

technische projekte

der Spez ial ist22

Dig italer p i lotenkoffer

Das EFB Class 2 bietet Lufthansa-Piloten künftig nicht nur digitale Navigationskarten, Hand-bücher und Checklisten, sondern wird direkt per Docking-Station mit den Flugzeugsystemen verknüpft. Schnellerer Zugriff auf wichtige Flugzeugdaten kann vor allem in Notsituationen helfen, Abläufe zu optimieren.

tex t › Jutta Witte

Auf dem Weg zum „less paper cockpit“ stellt das Electronic Flight Bag (EFB) eine entscheidende Technologie dar. Denn für den Flug notwendige Daten, die früher in Papierform vorlagen, können mithilfe des EFB digitalisiert, auf einem Laptop gespeichert und abrufbar gemacht werden. Mit dem EFB Class 2 haben Lufthansa und Lufthansa Systems nun ein weltweit einzigartiges System entwickelt, das das Fliegen ökonomischer und noch sicherer machen soll.

„Wir wollen die digitale Zukunft der Fliegerei aktiv mitgestalten.“ Jens Ritter, Airbus-A340-Pi-lot und bei Lufthansa verantwortlich für die Ent-wicklung und Einführung des EFB Class 2, möchte Computer und den damit schnellen Zugriff auf aktuelle Daten im Cockpit nicht mehr missen. Seit acht Jahren nehmen Lufthansa-Piloten bereits ein Pilot’s Workpad als EFB Class 1 mit an Bord. Darauf sind Navigationskarten, Handbücher und Check-listen gespeichert. Doch das System hat einen Nachteil: Wie die elektronischen Geräte der Flug-gäste muss das Workpad während des Starts und der Landung ausgeschaltet und fest verstaut wer-den. Hier setzt die neue Technologie an. Für das EFB Class 2 hat Lufthansa Systems eine Software ent-wickelt, die dem Piloten während des gesamten

Fluges einen schnellen Zugriff auf alle Informati-onen – auch aus dem Flugzeug selbst ermöglicht. Flugkapitän und Copilot stehen je ein im Cock-pit fest installierter 10,4 Zoll großer Touchscreen-Monitor und eine Docking-Station zur Verfügung, an der sie ihren Laptop anschließen. Er enthält die gleichen Informationen wie das Workpad aus der ersten EFB-Generation, wird aber mit dem Avi-onic- und Flugzeugsystem verknüpft und kann Informationen aus dieser Quelle, etwa Positions-daten oder Triebwerksleistung während Start und

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Porträt

Sonia Carramiñana stu-dierte in Barcelona Indus-trial Engineering. Schon während des Studiums sammelte sie Praxiserfah-rungen und schrieb 2001 ihre Diplomarbeit an der Universität Kaiserslautern. Bei Brunel ist sie seit 2003.

› 14Schnelle Entscheidungen können Leben retten: Gerade in kritischen Situationen sind digi-tale Informationen dem Kartenmaterial auf Papier überlegen.

„ein gAnz entscheidender beitrAg zur Flugsicherheit“

technische projekte

der Spez ial ist 23

Landung des Flugzeuges, übernehmen und weiter verarbeiten. Die lückenlose Informationsbeschaffung über die EFB-Plattform spart Blättern in Unterlagen, beschleunigt Abläufe und Entscheidungen im Cockpit und bietet vor allem in Ausnahmesituati-onen Vorteile. Muss ein Flugzeug zum Beispiel zu einem anderen Flughafen ausweichen, reicht ein Doppelklick auf den Touchscreen, um sich einen Überblick über die infrage kommenden Flughä-fen zu verschaffen – nebst allen wichtigen Infor-mationen: Ist die Landebahn lang genug, ist der Airport geöffnet, gibt es ein Krankenhaus in der Nähe, wie sind die Abfertigungsmöglichkeiten? „Es geht hier“, betont Jens Ritter, „um einen ganz entscheidenden Beitrag zur Flugsicherheit.“ Für die Koordination des Projekts bei der Luft-hansa Passage ist Sonia Carramiñana zuständig.

Aus ihren früheren Tätigkeiten in der Automobil-industrie bringt die Brunel Mitarbeiterin Erfah-rung im Management neuer Technologien mit.

Seit Mai 2008 führt die Maschinenbauingenieu-rin die Teilbereiche des Projektes zusammen. Das sind beispielsweise die Flugzeugkonfiguration, die IT-Spezifikation und das Training der Piloten. „Ich bin bei der Lufthansa in eine neue Welt ein-getaucht“, berichtet Carramiñana. Am Anfang glich dies angesichts der ungewohnten High-tech-Inhalte einem Sprung ins kalte Wasser. „Ich muss te mich sehr schnell einarbeiten“, sagt sie. Mehr als 300 sogenannte „Meilensteine“, zum Beispiel die Ausstattung der einzelnen Flotten

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› 15Digitale Flugkarten auf

10,4-Zoll-Touchscreens: Das Electronic Flight Bag (EFB)

bietet schnellen Zugriff auf wichtige Informationen. Die neue Generation soll

auch technische Echtzeit-daten der Flugzeugtechnik

liefern.

geFrAgt sind Flexibilität, AusdAuer und AnAly tische Fähigkeiten

technische projekte

24 der Spez ial ist

oder der Simulatoren, passt die Maschinenbau-ingenieurin in Zusammenarbeit mit Jens Ritter laufend an und entwickelt diese weiter: „Das ver-langt Flexibilität, Ausdauer, analytische Fähig-keiten und viel Erfahrung im Projekt- und Risiko-management.“ Zum Kernteam des Projekts gehö-ren 19 Mitarbeiter ganz unterschiedlicher Diszi-plinen. Sonia Carramiñana sorgt dafür, dass alle „die gleiche Sprache sprechen“, führt das Know-how von Piloten, Ingenieuren und Fachleuten zusammen und moderiert zwischen ihnen.

Die gebürtige Spanierin sorgt auch dafür, dass der Kontakt zu anderen externen Partnern wie Zulieferern reibungslos läuft. „Es ist sehr span-nend, bei einem Projekt von derart zentraler Be-deutung beteiligt zu sein“, betont die Managerin. Im Laufe dieses Jahres sollen die Flotten Airbus

A320-Familie, A330/A340 sowie Boeing 747 und 737 für das EFB Class 2 freigeschaltet werden. Mit dem EFB Class 2 stehe Lufthansa eine kon-zernweit einheitliche Software und Technik zur Verfügung, die flexibel und unabhängig vom Flugzeughersteller sei, sagt Jens Ritter. Und die Produktentwicklung geht weiter. Nach Einschät-zung des Lufthansa-Piloten sind in Zukunft noch viele Applikationen denkbar: Daten, die den tech-nischen Zustand einer Maschine dokumentieren oder ein System, das den Flugweg ständig über-wacht, aktualisiert und Verbesserungsvorschläge anbietet. Der Einsatz in weiteren Flugzeugtypen wie dem A380 ist bereits in Planung. „Diese Platt-form“, sind sich Pilot und Ingenieurin einig, „ist ein technisches Wunderwerk.“

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› 16Am EFB-Infostand: (v.l.n.r.)Peter Hagenlüke, Manager Product DevelopmentLufthansa Systems, Sonia Carramiñana, Gesamtpla-nung und Überwachung EFB, Jens Ritter, Head of Projekt EFB Lufthansa, Martin Mildner, Redakteur vom Magazin „Lufthan-seat“, interne Kommunika-tion und Dokumentation, Oliver Plogmann, Director EFB Program, Lufthansa Systems.

inFo

Es gibt drei EFB-Systeme: Class 1 ohne Verbindung zum Flugzeug, Class 2 mit temporärer Verknüpfung mit den Flugzeugsystemen und flexibler, herstellerun-abhängiger Konfiguration und die Class 3, die vom Flugzeughersteller als Teil der Avionic fest eingebaut wird und nur begrenzt konfigurierbar ist.

in zukunFt sind Weitere AnWendungen Für dAs eFb denkbAr

brunel Kompetenz

der Spez ial ist 25

Wohin geht der Flug?

Der Spezialist: Herr Grottke, welche Themen sind derzeit in der Luft- und Raumfahrtbrancheaktuell?

Norbert Grottke: In der Luftfahrt sind das ganz klar die Themen Sicherheit und Effizienz in Flug-betrieb und Wartung. Sicherheit zum einen bezüglich der Fluggeräte selbst, aber auch in Hin-blick auf Gefahren von außen, zum Beispiel durch terroristische Anschläge. Der effiziente Einsatz der Fluggeräte ist die Voraussetzung für den wirt-schaftlichen Flugzeugbetrieb. Technisch sind die Maschinen heute so ausgereift, dass sie 30 Jahre und länger fliegen können. Darum ist es wichtig, dass sich technische Neuerungen nachrüsten las-sen. In der Raumfahrt stehen derzeit die Bereiche Robotik sowie Datenaustausch via Laser ganz oben auf der Agenda. Beides sind Innovationen, die uns Menschen die Arbeit im Weltall erleich-tern. Roboter sollen beispielsweise Satelliten reparieren können, während Lasertechnologien es ermöglichen, Daten auch über große Distanzen schnell und präzise zu übertragen.

Der Spezialist: Welche Lösungswege werden sei-tens der Airlines als auch der Flugzeugherstel-ler zur Optimierung von Sicherheit und Effizienz beschritten?

Norbert Grottke: Hersteller wie Zulieferer erfor-schen und entwickeln neue Bauteile und Funkti-

onen. Die Airlines konzentrieren sich auf die Opti-mierung von Wartung sowie die Instandsetzung. So schreiben moderne Wartungsprogramme ex -akt vor, was welcher Techniker wie durchzufüh-ren hat. Dabei gibt es nicht ein Programm für alle, denn jede Airline setzt ihre Flugzeuge anders ein.Flugstrecken und -zeiten, klimatische Bedin-gungen oder Frachtarten belasten die Teile unter-schiedlich. Individuelle Programme erhöhen die Sicherheit. Außerdem senken sie die Instandhal-tungskosten.

Der Spezialist: In welche weiteren Bereiche flie-ßen derzeit die Investitionen der Airlines und Flugzeugbauer?

Norbert Grottke: Hier spielt die Emission von Schadstoffen und Lärm eine wichtige Rolle. Der Schadstoffausstoß soll bis 2020 um 50 Prozent gesenkt werden. Dieses Ziel stellt aus meiner Sichteine große Herausforderung dar, ist aber erreich-bar, zum Beispiel mit sparsameren Triebwerken und dem Einsatz leichterer Werkstoffe. Neuar-tige Faserverbundwerkstoffe und veränderte Bau-formen reduzieren bereits das Gewicht der Flug-zeuge, sodass sie weniger Treibstoff verbrauchen. Auch in das Interieur wird investiert, ist es doch das Aushängeschild jeder Airline und neben dem

intervieW › Claudia Schulz

In der Luft- und Raumfahrtbranche wird langfristig geplant. Moderne Flugzeuge bleiben bis zu 30 Jahre im Dienst. Trotzdem zeichnen sich klare technische Trends beim Bau und wirtschaft-lichen Betrieb in der Luft und am Boden ab. Brunel Spezialist und Niederlassungsleiter Norbert Grottke im Gespräch.

Weniger AbgAse durch leichtere Werk-stoFFe und neue triebWerke

brunel Kompetenz

der Spez ial ist26

Bordservice für die meisten Fluggäste einziges Unterscheidungsmerkmal. Darum konzentrieren sich die Airlines besonders auf die Innengestal-tung ihrer Flugzeuge – von der Bordküche über die Sitze bis zur Audio/Video-Ausstattung.

Der Spezialist: Wie beteiligt sich Brunel an sol-chen Entwicklungen?

Norbert Grottke: Wir sind Dienstleister und Pro-jektpartner für die Airlines. Bei der Lufthansa Technik sind wir beispielsweise für das Enginee-ring bestimmter Flugzeugtypen verantwortlich. Und bei der Entwicklung und Einführung des Electronic Flight Bag (EFB), einem brandneuen Produkt der Lufthansa und ihrer IT-Tochter Luft-hansa Systems, haben wir das Projektmanage-ment übernommen. Regelmäßige Schulungen und jahrelange Erfahrung qualifizieren unsere Mitarbeiter für diese Aufgaben. Unsere Spezia-listen arbeiten sich permanent in neue komplexe Sachverhalte ein und haben einen anderen Blick

auf Entwicklungen. Dadurch können wir abstra-hieren und neue Möglichkeiten frühzeitig erken-nen. Das bestätigt sich auch in der langjährigen Zusammenarbeit mit Kunden wie der Lufthansa.

Der Spezialist: Lassen sich Innovationen, die für die Luft- und Raumfahrt entwickelt wurden, auf andere Branchen übertragen?

Norbert Grottke: Sicher, gerade die neuen Faser-verbundwerkstoffe haben in Sachen Festigkeit ähnliche Eigenschaften wie das bislang verwen-dete Blech, sind aber wesentlich leichter. Darum sind sie auch für Fahrzeuge und andere Geräte interessant, beispielsweise in der Medizintechnik.Denken wir zudem an die Elektronik. Sie hilft dem Autofahrer und Schiffslenker ebenso wie dem Piloten. Nicht zufällig sind es oft dieselben Her-steller, die Elektronik und Software für Automo-

technologische innovAtionen Werden brAnchenübergreiFend eingesetzt

Porträt

Norbert Grottke absol-vierte sein Maschinen-

baustudium im DAA Technikum Würzburg. Seit

2002 leitet der Luft- und Raumfahrtexperte die

Brunel Niederlassung in Frankfurt.

brunel Kompetenz

27der Spez ial ist

bile, Flugzeuge und Medizintechnik gleicherma-ßen anbieten.

Der Spezialist: Die Luftfahrtbranche ist nicht son-derlich schnelllebig. Können Sie uns trotzdem eine Einschätzung zu mittel- und langfristigen Entwicklungen geben?

Norbert Grottke: Eine wichtige Entwicklung ist die zunehmende Flexibilisierung der Flugzeuge. So wird es immer einfacher, sie von einer Passa-gier- zur Frachtmaschine umzurüsten und zurück. Das gibt den Airlines mehr Spielraum und somit weniger Auslastungsprobleme bei wechselnden Bedingungen. Auch die rasante Entwicklung elek-tronischer Bauteile und Funktionen verspricht Innovationen beispielsweise für Pilotenassistenz, Umfeldsensorik oder Diagnose.

Der Spezialist: Welche Herausforderungen gilt es in naher Zukunft zu meistern – insbesondere für die Luftfahrt?

Norbert Grottke: Die größten Herausforderungen liegen aus meiner Sicht am Boden. Mit wachsen-dem Passagier- und Frachtaufkommen wachsen auch die Flughäfen. Dennoch soll die Zeit zwi schen Landung und erneutem Start einer Maschine so kurz wie möglich sein. Das macht den Bodenver-kehr zu einer logistischen, technischen und orga-nisatorischen Herausforderung: Wie lässt sich das Ein- und Auschecken beschleunigen? Wie regelt man den zunehmenden Verkehr von Fracht- und Sonderfahrzeugen, um Verzögerungen oder Unfälle zu vermeiden? Antworten geben Techno-logien wie RFID (Radio Frequency Identification) und Verkehrstelematik. Technologien sind aller-dings nur die halbe Wahrheit. Die andere Hälfte sind und bleiben die Menschen mit ihrem Wissen, ihrer Erfahrung, Verantwortung und Weitsicht. Technik ist gut und notwendig, aber letztlich ist sie dafür da, die Menschen zu unterstützen.

› 17

› 17Die Koordination und Logis tik am Boden ist eine der großen Herausforde-rungen in der Luftfahrt.

› 18

auS Den brancHen

29der Spez ial ist

energie aus der erde

tex t › Jan Meyer-Veden

Kalte Füße? Dann führen Sie sich die folgenden Zahlen einmal richtig zu Gemüte: 6.371 Kilome-ter unter uns herrschen vermutlich Temperaturen von bis zu 6.500 Grad Celsius. Damit nicht genug: 99 Prozent des Planeten, auf dem Sie gerade ste-hen, sind heißer als 1.000 Grad Celsius. Immer noch kalt? Na gut: Selbst von jenem verbleiben-den Rest sind 90 Prozent heißer als 100 Grad Cel-sius. Und: In 1.000 Metern Tiefe ist es beinahe überall konstant zwischen 20 und 50 Grad warm. Dass dennoch gut die Hälfte der weltweit erzeug-ten Primärenergie zum Heizen verwendet wird, erscheint in diesem Zusammenhang paradox. Zumal diese zu über 80 Prozent aus der Verbren-nung von Erdöl, Erdgas oder Braunkohle gewon-nen wird – Brennstoffe, deren Vorräte begrenzt sind. Warum also nicht auf das immense Energiepo-tenzial zurückgreifen, das unter unseren Füßen schlummert? Gegenüber anderen Ansätzen zur Nutzung erneuerbarer Energien wie Photovoltaik oder Windkraft hat die Geothermie, also die Wär-meenergie aus dem Erdinneren, den Vorteil, dass sie uns in gleichbleibender Menge und unabhän-gig von Jahreszeiten und Witterung zur Verfü-gung steht. Genutzt werden kann sie auf unter-schiedliche Weise: „Man kann die Wärme natür-lich direkt zu Heizzwecken verwenden“, erklärt Prof. Frieder Häfner von der TU Freiberg. „Diese sogenannte oberflächennahe Geothermie ist die unproblematischere Nutzungsart. Die Technik ist

Geothermie wird oberflächennah bereits effizient zur Wärmeversorgung von Gebäuden genutzt. Für die Stromerzeugung mit Erdwärme müssen jedoch wasserführende Gesteins-schichten in großen Tiefen angezapft werden. Sie zu finden und nutzbar zu machen, ist auf-wändig, kann den Energiemix jedoch langfristig und nachhaltig verändern.

erdWärMe steht unbegrenzt und kos-tenlos zur verFügung

›18Geothermie ist ein

Zukunftsmarkt und zugleich wirksames Instru-ment für den Umgang mit

der globalen Erderwär-mung. Theoretisch kann

diese langfristig nutzbare Energiequelle den weltwei-ten Energiebedarf für über

100.000 Jahre decken.

etabliert und kann wirtschaftlich eingesetzt wer-den. Haupteinsatzgebiet ist die direkte Wärme-versorgung von Privathaushalten.“ In einem sol-chen Heizsystem zirkuliert ein Wärmeträger-medium, meist ein Wasser-Glykol-Gemisch, zwi-schen einer energieaufnehmenden Vorrichtung und dem eigentlichen Heizkörper. Aufgenom-men wird die Wärme entweder direkt unter der Erd oberfläche von einem flächenintensiven Erd-wärmekollektor oder von einer wenig flächen-intensiven Erdwärmesonde, die in etwa hundert Metern Tiefe eingebracht wird.

In diesen Tiefen herrschen zwischen acht und zwölf Grad Celsius. Daher muss mittels einer Wär-mepumpe, also unter Einsatz elektrischer Ener-gie, die Temperatur des Trägermediums zunächst auf ein höheres Niveau angehoben werden. Üb -licherweise produzieren derartige Heizsysteme eine Vorlauftemperatur um die 60 Grad Celsius. Sie sind in der Einrichtung nur geringfügig teurer als herkömmliche Systeme, dafür aber im Betrieb trotz des Stromverbrauchs deutlich günstiger. Eine Kilowattstunde (kWh) Nutzwärme lässt sich schon für 3,5 Eurocent erzeugen, was gegen über erdgas- bzw. erdölbefeuerten Systemen Einspa-rungen von bis zu 50 Prozent bedeuten kann. Schließlich steht der Rohstoff, also die Erdwärme,

Porträt

Prof. Frieder Häfner,Forschungsprojektleiter

für Erdwärmegewinnung, Erdgasgewinnung und

CO2-Speicherung im Untergrund, ist seit 1992

Universitätsprofessor für Geoströmungs- und

Lagerstättentechnik an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg.

auS Den brancHen

30 der Spez ial ist

unbegrenzt und kostenlos zur Verfügung. Ober-flächennahe Geothermie gilt als Wachstums-markt. So stehen den 1.200 im Jahr 1995 bundes-weit installierten Wärmepumpenheizungen etwa 55.000 neu eingebaute Anlagen im Jahr 2007 gegenüber. „Auf der anderen Seite“, so Häfner, „steht die sogenannte Tiefengeothermie. Hier wird die Erd-wärme zur Stromerzeugung im großen Maßstab genutzt.“ Dazu müssen in großer Tiefe wasserfüh-rende Gesteinsschichten, sogenannte Aquifere, aufgespürt werden. Da die Temperatur der äuße-ren Erdkruste um etwa 0,03 Grad Celsius pro Meter zunimmt und zur Stromerzeugung mittels Wasserdampf mindestens 110 Grad Celsius benö-tigt werden, existiert (zumindest in nicht-vulka-nischen Gebieten) erst ab 3.000 Metern ausrei-chend heißes Gestein. Das heiße Wasser oder der Wasserdampf werden mittels einer Bohrung an die Oberfläche befördert und dort in Turbinen-kraftwerken in elektrische Energie umgewandelt. Durch ein zweites Bohrloch wird das abgekühlte Wasser zurückgeführt, damit es sich erneut erhit-

zen kann – es entsteht eine Zirkulation. „Solche Bohrungen sind sehr teuer“, so Prof. Häfner, der die Tiefengeothermie kritisch betrachtet. „Zudem muss man erst einmal herausfinden, wo es sich zu bohren lohnt. Die sogenannten Fündigkeitsri-siken sind denen bei der Exploration von Erdgas-lagerstätten vergleichbar.“ Hinzu kommt, dass die Gesteine in solchen Tiefen oft extrem undurchläs-sig sind und die Förderung des Heißwassers daher mit enormem Aufwand verbunden ist.

Mittels des Hydraulic Fracturing, eines von der Erdöl- und Erdgasindustrie abgeschauten Verfah-rens, versuchen Forscher und Ingenieure welt-weit, diesem Problem beizukommen. Die Durch-lässigkeit des Gesteins wird künstlich erhöht, indem man große Mengen Wasser unter hohem Druck in das Bohrloch einpresst. Auf diese Weise erweitern sich vorhandene Risse und es entstehen neue. Das Gestein wird durch diese „Fracs“ weg-bar gemacht und die Fördermengen werden so deutlich erhöht. Allerdings neigen die Klüfte dazu, sich wieder zu schließen, sodass es laut Häfner nach einem halben bis zu einem Jahr zunächst zu einem Rückgang der Fördermenge und schließ-lich zum Versiegen kommen kann. Die Lösung dieses Problems beschäftigt auch Dr. Ernst Huenges, Leiter des Internationalen Geo-thermiezentrums am Deutschen GeoForschungs-Zentrum (GFZ) in Potsdam. Ähnlich wie Häfner sieht auch Huenges eine der größten Herausfor-derungen in der Entwicklung von Methoden zur nachhaltigen Erhöhung der Fördermengen: „Hier greifen wir immer wieder auch auf Know-how aus der Erdöl- und Erdgasindustrie zurück.“ Ein Beispiel sei der Einsatz von Stützmitteln. „Das sind kleine Keramikkugeln, die beim Einpressen des Wassers im Gestein verteilt werden, und die ver-hindern sollen, dass die Fracs sich wieder schlie-ßen.“ Ob so die Zirkulation zwischen den Bohr-

tieFengeotherMie Arbeitet Mit knoW-hoW Aus der erdöl-/erdgAsindustrie

› 19

Porträt

Dr. Ernst Huenges ist Dipl.-Ing. für Allgemeine

Verfahrenstechnik und Diplom-Physiker mit Pro-

motion an der Universität Bonn. Er ist Sprecher des

Geothermieforschungspro-grammes der Helmholtz-

Gemeinschaft und Direktor des Internationalen

Geothermiezentrums am GFZ. Zudem ist er Mitglied

des Fachausschusses Regenerative Energien des

VDI und Vorstandsmit-glied der Geothermischen

Vereinigung.

› 19Geothermisches Kraftwerk

auf Island. Der Inselstaat versorgt bereits 90 Prozent aller Haushalte mit Wärme

aus Wasserdampf.

GEOTHERMIE: ENERGIE AUS DER TIEFE

0 m

1.000 m

ca. 110 °C

ca. 100 °C

ca. 50 °C

ca. 20 °C

ca. 50 °C

ca. 70 °C . . . 97 °C

2.000 m

3.000 m

Fernwärme Stromerzeugung

heiße Gesteinsschicht(Aquifer)

kaltes Wasser fließt in heiße Gesteinsschicht zurück

heißes Wasser wirdhochgepumpt

Kühlung

FörderbohrungInjektionsbohrung

Wohngebiet Industriegebiet

FernwärmenetzTurbine mit Generator zur Stromerzeugung

auS Den brancHen

der Spez ial ist 31

zial der untersuchten Gesteinsformation zu tref-fen. „Unsere italienischen Kollegen haben die neu entwickelten Erkundungsverfahren in der Region Travale mehrfach ausprobiert und sind jedesmal fündig geworden“, berichtet Huenges. Zwar teilt er Häfners Skepsis, was die Übertragbarkeit sol-cher Erfahrungen auf Deutschland betrifft, da die Erdwärmelagerstätten in Deutschland tiefer lie-gen und nur unter deutlich höherem Aufwand zu erschließen sind; insgesamt jedoch sieht er „großes Potenzial für geothermische Technolo-gien, womit signifikant zum künftigen Energie-mix beigetragen werden kann.“

löchern über einen längeren Zeitraum aufrecht-erhalten werden kann, wird ab 2010 in Groß Schö-nebeck in Brandenburg von den Potsdamer For-schern im Rahmen eines Langzeitexperimentes untersucht.

Einen weiteren Fortschritt gibt es bereits zu ver-zeichnen: Das internationale Forschungsprojekt I-GET, das Ende Februar mit einer Abschlusskonfe-renz in Potsdam zu Ende gegangen ist, scheint ein effektives Instrument zur Minimierung des Fün-digkeitsrisikos geliefert zu haben. Eine Kombina-tion seismischer und elektromagnetischer Mess-verfahren ermöglicht es, schon vor der Bohrung genaue Aussagen über das geothermische Poten-

› 20

geotherMische technologien können signiFik Ant zuM energieMix beitrAgen

› 20Das Prinzip geothermi-scher Stromerzeugung: Über eine erste Bohrung wird heißes Wasser aus der Tiefe gefördert. Es gibt sei-ne Wärme über einen Wär-metauscher ab. In einem Sekundärkreislauf (Organic Rankine Cycle) erzeugt ein Generator Strom. Über die zweite Bohrung wird das Wasser wieder zurück in den Speicher geleitet.

technische projekte

der Spez ial ist32

Datentransfer im Weltall

Vor 44 Jahren flog die Raumsonde Mariner 4 in einer Entfernung von 10.000 Kilometern am Mars vorbei. Die für damalige Verhältnisse sen-sationellen Bilder von der Oberfläche des Pla-neten wurden pro Bild innerhalb von acht Stun-den mit einer Übertragungsrate von 8,3 bit pro Sekunde per Funkwellen zur Erde gesendet. Heu-te ist die drahtlose Weitergabe von Information selbst für den Hausgebrauch viel leistungsfä-higer und schneller: So lassen sich problemlos per WLAN umfangreiche Daten, wie beispiels-weise Filme aus dem Internet mit einer Übertra-gungsgeschwindigkeit von bis zu 10 Megabits pro Sekunde empfangen.

Der Umfang und die wachsende Komplexität von Daten erfordern immer leistungsstärkere Über-tragungsmedien. Dabei spielt die optische Weiter-leitung mittels lichtleitender Verbindungen eine ganz zentrale Rolle – seit mehr als dreißig Jah-ren werden hierfür Glasfaserkabel benutzt. Neu ist die optische Freiraumkommunikation. Hier-bei werden die Daten als Signale auf einen Laser-strahl, die Trägerfrequenz, „aufgeprägt“ oder auf-moduliert: Die zu übertragenden Signale verän-dern dieses Trägersignal so, dass sie weiterge-leitet werden können. So lassen sich Daten über

große Entfernungen durch den freien Raum trans-portieren. Diese Lasertechnologie zur Datenüber-tragung zwischen Erde und Weltraum findet bei-spielsweise bei Satelliten ihre Anwendung, mit denen Wetter, Klima und Umwelt beobachtet werden. „Die Lasertechnologie ist ein spannendes Ar- beitsfeld, das jetzt und auch in Zukunft eine wich-tige Rolle spielen wird“, sagt Thomas Ester, Ingeni-eur der Elektronik und Informationstechnik und Brunel Mitarbeiter. „Diesem Bereich traue ich eine wachsende Bedeutung und viele Einsatzmöglich-keiten zu.“ Seit Ende des letzten Jahres unterstützt der 26-Jährige die Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG, dem Marktführer auf dem Gebiet der Satelli-tenkommunikation. Im Bereich der Sendeverstär-ker – Travelling Wave Tube Amplifier (TWTA) – besitzt das Unternehmen einen Anteil von 50 Prozent auf dem Weltmarkt. Im Jahr 2008 wurde ein neues, von der Tesat-Spacecom entwickeltes Produkt zur Satellitenkommunikation im Welt-raum eingesetzt: das Laser-Terminal zur optischen Breitbandkommunikation (LCT). Zwischen dem deutschen Erdbeobachtungssatelliten TerraSAR-X und dem US-amerikanischen Testsatelliten NFIRE konnte mittels des LCT über eine Entfernung von 5.000 Kilometern eine Datenverbindung zur Kommunikation aufgebaut und aufrechterhal-ten werden – mit einer Leistung von 5,5 Gigabit pro Sekunde. Das entspricht in etwa der Weiter-leitung einer Datenmenge von 200.000 DIN-A4-

Wireless-LAN macht’s möglich: Informationsübertragung innerhalb weniger Sekunden. Und auch zwischen Erde und All ist dank moderner Lasertechnologie eine schnelle und zuverläs-sige Datenübertragung selbstverständlich. Ein neuer Lasertyp soll nun per Satellit für eine bessere Wettervorhersage und eine genauere Einschätzung der Klimaentwicklung sorgen.

oPtische FreirAuMkoMMunik Ation erMöglicht dAtenübertrAgung über grosse distAnzen

tex t › Jörg Riedel

Porträt

Dipl.-Ing. Thomas Ester testet bei Tesat-Spacecom die Kontrollelektronik. Der 26-jährige Elektronik-Spezialist hat nach einer Ausbildung zum Indus-trieelektroniker an der Hochschule Heilbronn studiert, bevor er im Jahr 2008 seine Karriere bei Brunel startete.

Audio-Version unter: www.brunel.de/podcast

technische projekte

der Spez ial ist 33

› 21Die Tesat-Laser-Terminals zeichnen sich durch eine wesentlich höhere Leis-tungsfähigkeit als frühere Modelle der Europäischen Raumfahrtagentur ESA aus. Sie sind darüber hinaus auch kleiner und effizienter.

› 21

teile der Tesat-Lasertechnologien in sich verei-nigt – wird im Rahmen des Programms zur Erd-beobachtung der European Space Agency (ESA) eingesetzt. Der Satellit ADM-Aeolus (Atmospheric Dynamics Mission) soll die Windbewegungen in der Atmosphäre messen, um damit sowohl einen Beitrag zur verbesserten Wettervorhersage zu leis ten als auch die langfristige Entwicklung des Erdklimas präziser einschätzen zu können. An Bord des Satelliten ist der hochfrequenzsta-bile Laser Bestandteil eines LIDAR-Systems (Light Detecting And Ranging). LIDAR ist eine Techno-logie, mit der Entfernungen und Geschwindig-keiten sowie Wetterveränderungen und andere

Seiten pro Sekunde oder 400 DVDs in der Stunde. Bedingt durch einen sehr feinen Laserstrahl wur-den die Daten zudem mit einem geringeren Ener-gieaufwand gesendet als bislang üblich.

Seit 2002 besetzt die Tesat-Spacecom ein weiteres Arbeitsfeld, das vor allem unter wissenschaft-lichen Gesichtspunkten bedeutsam ist und das kommerzielle Kerngeschäft des Unternehmens ergänzt: die Entwicklung von hochfrequenzsta-bilen Referenzlasern. Dieser Lasertyp – der Groß-

hochFrequenzstAbile reFerenzlAser zur beobAchtung der erde

technische projekte

der Spez ial ist34

atmosphärische Parameter gemessen werden können. Ein LIDAR-System ist vergleichbar mit einem Radar, jedoch werden statt Funkwellen viel empfindlichere Laserstrahlen verwendet. LIDAR-Systeme stellen besondere Herausforderungen an die verwendeten Laserquellen, denn das Ver-fahren nutzt Lichtimpulse unterschiedlicher Wel-lenlängen. Diese Impulse, die Laserpulse, ermögli-chen es, die Konzentration des atmosphärischen Wasserdampfs rund um den Globus präzise zu messen. Daraus lassen sich insbesondere Erkennt-nisse gewinnen über die Entwicklung des natür-lichen und des vom Menschen beeinflussten Treibhauseffekts.

Im Team des Referenzlaser-Projekts der Tesat-Spacecom arbeitet Thomas Ester mit. Sein Arbeits-schwerpunkt ist es, die Kontrollelektronik des Lasers zu testen. Mit der Flughardware simuliert er im Laserlabor die besonderen Bedingungen,

denen die Laser im Weltall ausgesetzt sind, wie etwa die Einflüsse des Vakuums, der Schwin-gungen, der Strahlung oder der Temperatur. Er führt Messungen durch und justiert entspre-chend der Ergebnisse gegebenenfalls die Steu-erelektronik, bis sie die Anforderungen erfüllt. „Für mich bietet dieses anspruchsvolle Projekt eine sehr gute Gelegenheit, mich intensiv mit

› 23

› 22

testPhAse gArAntiert zuverlässigkeit von reFerenzlAsern

› 22Laser-Kommunikations-terminal in der Produkti-onshalle: Bevor es in den Weltraum geht, wird in aufwändigen Testreihen die volle Funktionstüchtig-keit sichergestellt.

› 23Thomas Ester führt Mes-sungen unter Weltraumbe-dingungen in einer Thermo-Vakuum-Kammer durch. Je nach Ergebnis passt er die Justierung der Steuerelektronik an.

technische projekte

der Spez ial ist 35

der Schnittstelle zwischen Elektronik und Optik zu beschäftigen“, so der 26-Jährige. Die Relevanz der umfangreichen Testprozeduren liegt auf der Hand: „Die weltraumqualifizierten Referenzla-ser müssen während der kompletten Betriebszeit unter den schwierigen Bedingungen im All genau und zuverlässig arbeiten – und das muss sicher-gestellt werden.“ Sowohl die Erfassung der Mess-daten als auch die anschließende Auswertung geschieht softwaregestützt. Dabei ist für Thomas Ester der Umgang mit der Entwicklungsumge-bung und Programmiersprache LabVIEW (Labora-tory Virtual Instrument Engineering Workbench) selbstverständlich.

Die Ergebnisse stellt der Ingenieur in Berichten zusammen, gibt diese an die verantwortlichen Mitarbeiter des Projekts weiter und stimmt die

Kommunikation mit den Beteiligten für die wei-teren Arbeitsschritte ab. „Eine ausführliche Doku-mentation der Messungen ist ein wesentlicher Bestandteil meiner Arbeit und bei Projekten wie diesem grundlegend. Es dürfen keine zeitlichen Reibungsverluste durch unzureichenden Informa-tionsfluss entstehen“, beschreibt der Brunel Mit-arbeiter seine Tätigkeit. Dabei kann er sich auch auf seine, während des Studiums erworbenen, guten Fremdsprachenkenntnisse verlassen, denn die Dokumentation geschieht vollständig auf Eng-lisch. Schließlich handelt es sich um ein internati-onales Projekt, an dem neben der Tesat-Spacecom und der ESA auch die EADS-Astrium, der Raum-fahrt-Tochterkonzern der EADS (European Aero-nautic Defense and Space Company), beteiligt ist. Voraussichtlich in der zweiten Jahreshälfte 2009 werden die drei den ADM-Aeolus auf seine Reise ins Weltall schicken.

bedeutung und einsAtzMöglichkeiten der lAsertechnik Werden zunehMen

› 24Die Satelliten TerraSAR-X und NFIRE begegnen sich mehrmals täglich. In einem Zeitfenster von 20 Minuten wird die Datenübertra-gung via Laser-Vermittlung hergestellt.

› 24

inFo

Seit 40 Jahren stattet die Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG mit Sitz in Backnang bei Stuttgart weltweit Satelliten mit Kommuni-kationstechnologien aus. Mit seinen mittlerweile rund 950 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern hat das Unternehmen bis heute rund 500 Weltall-Projekte abgewickelt.

mitarbeiter unD Karriere

36 der Spez ial ist

prax is und promotion

Mangelnde Zielstrebigkeit kann man Adrian Markgraf nicht vorwerfen. Nach der Realschule besuchte er ein Technisches Gymnasium mit den Leistungskursen Physik und Technik. Im Anschluss studierte er Elektro- und Informationstechnik an der TU München. Seine darauf folgende Tätigkeit bei Brunel in München ergänzte er um ein MBA-Studium. Die Vertiefungsfächer hier: Wirtschafts-recht, Information, Organisation und Manage-ment. Und im Februar dieses Jahres beendete der 28-Jährige seine Masterthesis zum Thema „Kos-tenreduzierung durch die Integration des Value Engineering und Product Engineering Ansatzes in der Windenergieanlagenentwicklung auf Basis des Target-Cost-Modells“.

Das Target-Cost-Modell beruht auf folgendem Grundgedanken: Der Endpreis eines Produkts kommt üblicherweise zustande, indem alle in Ent-wicklung und Produktion auflaufenden Kosten zusammengerechnet sowie eine Gewinnmarge dazu addiert wird. Geht man allerdings zu Beginn der Produktentwicklung davon aus, was das Pro-dukt den Kunden im Höchstfall kosten darf, lassen sich sowohl der Gesamtprozess verschlanken, als auch dessen Bestandteile wirksamer aufeinander abstimmen. Auf Basis des ermittelten Wertes kön-nen Vorgaben für die einzelnen Stufen der Pro-

duktentwicklung gemacht werden, die zugleich auch als Innovationsanreiz wirken. Das Konzept des Value Engineering ist mit die-sem Ansatz verschränkt. Es untersucht, inwieweit die einzelnen Funktionen eines Produktes an sei-nem Gesamtkundennutzen beteiligt sind, zu wel-chem Prozentsatz sich etwa ein Kunde beim Auto-kauf an der Leistung des Motors oder am Fahr-komfort orientiert. „Wert“ ist im Value Enginee-ring definiert als Quotient aus Bedürfnisbefrie-digung und Ressourceneinsatz. Das heißt, wie teuer kommt ein spezieller Kundennutzen das Unternehmen zu stehen? Hängt beispielsweise die Kaufentscheidung des Kunden zu 40 Pro-zent von der Motorleistung ab, bestimmt die-ser Prozentsatz, welcher Anteil am Gesamtpreis des Autos auf Entwicklung und Herstellung des Motors zu entfallen hat. Die hohe Wachstumsdynamik der Windkraft-branche war für Adrian Markgraf der entschei-dende Grund für die Anwendung der beiden Kon-zepte auf diesen Bereich: „2003 arbeiteten bei-spielsweise in der Entwicklungsabteilung von einem der führenden Unternehmen der Branche rund 150 Mann, heute sind es über 1.000.“ Als Bru-nel Mitarbeiter hat Markgraf eben jenes in Däne-mark ansässige Unternehmen beraten und es gleichzeitig zum Gegenstand seiner Masterthe-sis gemacht. „In der Windkraftbranche ist im Augenblick jede Menge Musik drin“, beschreibt er, „hier ist man besonders offen für neue Ideen.“

Seit seinem Studium beschäftigte sich Adrian Markgraf bei Brunel in München mit der Optimierung dynamischer Unternehmensprozesse und beriet Unternehmen aus der Wind-kraftbranche. Value Engineering und Target Costing könnten jetzt auch zu Themen seiner Promotion werden.

tex t › Jan Meyer-Veden

dynAMisches WAchstuM erFordert inno-vAtive unternehMensstrukturen

37der Spez ial ist

Viele Unternehmen seien von der Dynamik ihres Wachstums überrollt worden und hätten keine Gelegenheit gefunden, ihre Strukturen der neuen Größenordnung anzupassen. „Ein Betrieb mit mehreren tausend Mitarbeitern kann aber nicht mit den gleichen Methoden geführt werden wie einer mit 100.“ Um die nötigen Informationen für seine Aufgabe zu sammeln, besuchte Markgraf regelmäßig die Firmenzentrale im dänischen Ran-

ders sowie die verschiedenen Projektstandorte. Durch die Teilnahmen an Managementsitzun-gen und Gesprächen mit den Kollegen verschaffte er sich ein Bild davon, wie hier gearbeitet wurde und in welchen Bereichen Optimierungspotenzial bestand. So umfangreich die Analyse des gesam-melten Materials auch war, sie ist, laut Markgraf, nur ein Anfang. Der nächste Schritt wäre die prak-tische Umsetzung, die Integration der gewonne-

› 25

› 25Zielstrebig arbeitet der 28-jährige Adrian Markgraf an seiner Karriere. Nach seiner Masterthesis bei Brunel promoviert der 28-Jährige nun an der TU München.

mitarbeiter unD Karriere

38 der Spez ial ist

nen Einsichten in die Prozessstrukturen. Ob er sei-nen Ansatz im Rahmen seiner nun anstehenden Promotion weiterverfolgt, ist noch unklar. Sicher ist dagegen, dass Markgraf nicht nur in beruf-licher Hinsicht von den Reisen nach Dänemark profitierte. Neben der Schönheit des Landes ist ihm die offene und herzliche Art seiner Gastge-ber in Erinnerung geblieben. „Viele Freundschaf-ten haben nach wie vor Bestand“, sagt er, „nimmt man die neuen Erfahrungen hinzu, das Eingehen auf die unterschiedlichen Mentalitäten und Sicht-weisen, kann man sagen, dass diese Arbeit mich auch persönlich weitergebracht hat.“

Seit Anfang März 2009 ist Adrian Markgraf am Lehrstuhl für Betriebswirtschaftslehre, Unterneh-mensführung, Logistik und Produktion an der TU München tätig. Drei Jahre wird er hier an seiner Doktorarbeit schreiben, das Thema steht aller-

dings noch nicht konkret fest. „Es wäre natür-lich schön, wenn ich auf meine Masterthesis auf-bauen könnte“, so Markgraf. Zwar konzentriert er sich nun voll und ganz auf seine wissenschaftli-che Tätigkeit, denkt aber bereits an das Danach. „An der Arbeit im Prozessbereich habe ich durch-aus Geschmack gefunden. Da herrscht einfach eine höhere Dynamik. Als Entwicklungsingenieur steckt man meist mehrere Jahre in einem Projekt fest. Im Consulting laufen die Projekte dagegen oft nur über ein halbes Jahr. Auf diese Weise bin ich dauernd mit neuen, spannenden Fragestellun-gen konfrontiert.“ Auch die Arbeit für Brunel war für Markgraf eine bereichernde Erfahrung: „Denn schon aufgrund des Geschäftsmodells bietet Bru-nel gerade die Abwechslung, die ich mir für mei-nen Berufsalltag wünsche.“ Zudem habe ihm die Offenheit und die konstruktive Atmosphäre der Münchener Niederlassung gefallen. „Nun möchte ich die Chance einer Promotion ergreifen“, so Markgraf, „anschließend kann ich mir aber eine Rückkehr zu Brunel sehr gut vorstellen.“

› 26

› 26Erneuerbare Energien und im speziellen die Windkraft sollen in den kommenden Jahren den Energiemix nachhaltig zugunsten von CO2-neutralen Energie-quellen verändern.

k ArrierePlAnung: nAch der MAster-Arbeit Mit PrAxiserFAhrung Folgt die ProMotion

QuerDenKen

39der Spez ial ist

tex t › Marco Heinen

Golden und transparent leuchten einzelne Wände im Sonnenlicht und verleihen der Veteranen-Gedenkstätte in Baton Rouge im US-amerikani-schen Bundesstaat Louisiana eine helle, freundli-che Anmutung. Das stimmungsvolle Monument wirkt auf besondere Weise auf seine Besucher – und versetzt sie zudem immer wieder in Verblüf-fung. Denn taucht eine Person hinter einer der Mauern auf, ist ihr Umriss scharf zu erkennen. Dabei sind die dünnen Wände aus Beton. Einem ganz speziellen Beton, der optische Fasern ent-hält, die das Licht durch den sonst grauen Bau-stoff leiten. Erfunden und patentiert wurde „Litracon“ vom Architekten Áron Losonczi. Seit 2004 fertigt der 32-Jährige in seinem Betrieb mit nur zwei wei-

teren Mitarbeitern im ungarischen Csongrád die Betonplatten, die weltweit ihre Abnehmer finden. Sie werden vornehmlich in Bauwerken verwen-det, bei denen Exklusivität und Repräsentativität eine besondere Rolle spielen. So zum Beispiel in der ungarischen Botschaft in Paris und der Mont-blanc-Boutique in Tokio. Für deren Gestaltung war der Innenarchitekt Andreas Weidner verant-wortlich. Er war über einen Artikel in einer Fach-zeitschrift auf Litracon aufmerksam geworden. „Ich sah darin einen interessanten Aspekt, um eine massive Beton- oder Steinwand, die Schwere und Seriosität ausstrahlen sollte, leichter und fili-graner erscheinen zu lassen“, erinnert er sich.

Der Gedanke an einen neuen Baustoff war Loson-czi, der sein Architekturstudium in Budapest absolvierte, während seines Postdoc-Studiums in Stockholm gekommen, wo er sich schwerpunkt-mäßig mit „Glas in der Architektur“ beschäf-tigte. „Die eigentliche Inspiration bekam ich aber 2001 auf einer Studienreise nach Deutschland, als ich im Folkwang-Museum in Essen eine Aus-stellung mit Lichtinstallationen besuchte“, erin-nert sich Losonczi. Eines der Exponate stammte vom österreichischen Künstler André Heller und nannte sich „Meteorit“. Die Innenwände eines eiförmigen Raumes waren mit tausenden licht-

Wände mit Durchbl ick

Beton war bisher vor allem dafür bekannt, haltbar, stabil, grau und ein wenig langweilig zu sein. Durch eingebettete Glasfasern zeigt der Werkstoff jetzt, welche Potenziale in ihm schlummern. Die bis zu 20 m langen eingebauten Glasfasern lassen spektakuläre Bauwerke leuchten.

› 27

›27Litracon ermöglicht eine

Lichtdurchlässigkeit bis zu einer Wanddicke von 20

Zentimetern dAs MuseuM Folk WAng diente Als insPi-rAtion zuM lichtdurchlässigen beton

der Spez ial ist40

durchlässigen optischen Fasern bedeckt, die ihre Farbe fortlaufend änderten. Beeindruckt von der „atemberaubenden Atmosphäre“ und diesem kunstvollen Ansatz, mit Licht und Material umzu-gehen, begann Losonczi, Experimente mit Beton durchzuführen. Noch im selben Jahr kam ihm die Idee, lichtdurchlässigen Beton anzufertigen. Nur, dass es bei ihm nicht um singuläre Kunstwerke

ging, sondern um einen industriell hergestell-ten Baustoff. Für das neuartige Produkt galt es im Anschluss, ein überzeugendes Geschäftsmodell zu entwickeln. Dies gelang mit Bravour: Der Busi-ness-Plan wurde 2003 in Schweden mit zwei Inno-vationspreisen ausgezeichnet. Bereits ein Jahr später gründete der junge Architekt seine Firma und begann mit der Produktion.

› 28

› 28Die Montblanc-Boutique in Tokio. Die optischen Fasern wirken wie tausende Lichtpixel, obwohl sie nur vier Prozent der Masse ausmachen.

QuerDenKen

der Spez ial ist 41

› xx

Die Herstellung von Litracon ist nicht einfach. „Es ist nicht so, als würde man alles in einen Mixer ste-cken und umrühren“, erläutert Losonczi. Es wer-den fast ausschließlich optische Fasern aus Glas oder Kunststoff verwendet, die hohen Ansprü-chen an Stabilität und Leitfähigkeit der UV-Anteile des Lichts genügen müssen. „Dafür gibt es weltweit nur wenige Hersteller“, sagt der Archi-tekt. Einer davon ist das Mainzer Unternehmen Schott, das als Glas- und Optikspezialist einen Teil der Fasern liefert. Diese werden mithilfe eigens für diesen Zweck entwickelter Spezialmaschinen schichtweise parallel angeordnet und anschlie-ßend mit Schichten aus Beton übergossen, wobei der Anteil optischer Fasern letztlich nur vier Pro-zent beträgt. Pro Quadratmeter werden etwa 10 Millionen Fasern mit 0,07 Millimetern Durchmes-ser verwendet. Die optischen Fasern wirken spä-ter auf den Flächen wie tausende Lichtpixel, wobei die Dicke der Betonplatten für die Intensität des Lichts kaum eine Rolle spielt, da die Fasern auf bis zu 20 Metern Länge das Licht beinahe verlustfrei leiten. Auch der Beton wird bei Litracon in Cson-

grád hergestellt. Er besteht aus handelsüblichem Material, das durch verschiedene Zusätze für die weitere Verarbeitung geschmeidig gemacht wird und außerdem Farbpigmente enthält. Zwar könnte der Grad der Transparenz noch erhöht werden, doch nur auf Kosten der Stabilität. Außer-dem habe sich das derzeit verwendete Mischungs-verhältnis als das Beste herausgestellt. Das auf-wändige Herstellungsverfahren hat seinen Preis: Pro Quadratmeter müssen Kunden zwischen 845 und 3.880 Euro kalkulieren. Zwar ist Litracon ein wetterbeständiger, mittelharter Beton, der dünne Wände tragen kann, doch außer für zierende Elemente ist er schlicht zu teuer. Entsprechend in teressieren sich vor allem Künstler und Archi-tekten dafür. „Aber auch Möbel aus Litracon sind denkbar“, meint Losonczi, der in der gesamten Designindustrie Potenzial für sein Produkt sieht.

Für Losonczi stellt jedes neue Projekt eine Heraus-forderung dar, denn es gilt, die individuellen Vor-stellungen der Kunden umzusetzen. Dass ihm eine ganz besondere Erfindung gelungen ist, erfährt er jeden Tag aufs Neue. In den ungarischen Medien, aber auch bei der internationalen Presse, ist er zum gefragten Gesprächspartner geworden. Er wird zu Fachkonferenzen eingeladen und hält Vorträge etwa über „Neue Lösungen in der Innenarchitek-tur“. „Litracon ist die Basis meines Lebens“, meint der Ungar und es sieht so aus, als sei es ein Funda-ment, auf das sich bauen lässt.

Porträt

Áron Losonczi (32) erhielt für den von ihm erfun-

denen lichtdurchlässigen Beton zahlreiche inter-

nationale Design-Preise. Darunter den iF material award 2008 des interna-

tional Forum Design in Hannover sowie den LEAF

Award 2006.

› 29

›29Auch für die Möbelindus-trie ist der lichtdurchläs-

sige Beton interessant: Die würfelförmige Tischlampe LitraCube besteht aus vier

Betonplatten.

jedes neue Projekt ist eine neue her-AusForderung

panorama

42 der Spez ial ist42

unsichtbarkeit durch opt isches metamaterial

lege. Pendry forscht seit einigen Jahren auf die-sem Gebiet und hatte 2006 in einer viel beach-teten Studie im renommierten Fachmagazin Sci-ence nachgewiesen, dass die Konstruktion von unsichtbar machenden Tarnkappen im Prinzip möglich sei. Aufbauend auf diese Studien gelang es kurz darauf einem Team um David Smith an der DukeUniversity in North Carolina, einen fünf Zenti-meter kleinen Kupferblock in einem Hohlzylin-der verschwinden zu lassen. Der Zylinder bestand aus einem künstlichen Verbundwerkstoff, einem sogenannten „Metamaterial“, der die auf ihn ein-treffenden Lichtstrahlen wie Wasser um einen Stein herumführte. Doch so beeindruckend das Ergebnis auch war, das Experiment funktionierte nur, wenn elektromagnetische Strahlen im Mikro-wellenbereich mit einer Frequenz von neun Giga-hertz – also etwa Radarstrahlen – auf das Material einfallen. Bei normalem Tageslicht mit einer für den Menschen wahrnehmbaren Strahlung tritt hingegen keine Unsichtbarkeit ein. Bei einer jüngst von Smith vorgestellten Wei-terentwicklung des Experiments wurden Mikro-wellen mit Frequenzen von 13 bis 16 Gigahertz verwendet, was einer Wellenlänge von etwa 19 bis 23 Millimetern entspricht. Die Wellenlängen von sichtbarem Licht liegen jedoch im Bereich von 380 bis 780 Nanometern. Die Voraussetzung zur Erzeugung von Unsichtbarkeit ist, dass die Struk-turen des Metamaterials kleiner sind als die Wel-

tex t › Robert Uhde

Durch die Entwicklung von künstlichen Strukturen mit völlig neuartigen optischen Eigen-schaften ist Dr. Stefan Linden dem Geheimnis der Unsichtbarkeit dicht auf den Fersen. Das sogenannte Metamaterial beeinflusst Licht ganz anders als natürliche Stoffe: Es besitzt einen negativen Brechungsindex und kann infrarotes und sogar sichtbares Licht beeinflussen.

Egal ob aus Neugier, in krimineller Absicht oder als militärische List – seit Jahrtausenden träumen die Menschen davon, sich unsichtbar machen zu können, um von der Umwelt vorübergehend nicht mehr wahrgenommen zu werden. In der Nibelungensage nutzte Siegfried eine unsicht-bar machende Kappe des zauberkundigen Zwergs Alberich, um seine Heldentaten vollbringen zu können. Bei „Star Trek“ griffen Captain Jean-Luc Picard und Commander Data auf diese Technik zurück, um für fremde Raumschiffe unauffindbar zu sein. Und zuletzt war es Harry Potter, der sich mithilfe eines Tarnmantels unsichtbar machte, um ungestört durch die Hallen seiner Schule Hog-warts wandern zu können.

Was bislang nur in der Fantasie funktionierte, das könnte im Prinzip auch im richtigen Leben mög-lich sein. Denn weltweit arbeiten mehrere For-scherteams an der Entwicklung von Hightech-Materialien, die Objekte unsichtbar werden las-sen können. Darunter ist auch ein Team unter Leitung von Dr. Stefan Linden und Prof. Dr. Mar-tin Wegener von der Universität Karlsruhe. Ange-regt wurden die Wissenschaftler insbesondere durch die Arbeiten des britischen Physik-Theore-tikers Sir John Pendry vom Londoner Imperial Col-

Porträt

Der Forschungsschwer-punkt von Dr. Stefan Lin-den liegt auf dem Gebiet der optischen Metamate-rialien. 2007 erhielt er den Heinz Maier-Leibnitz-Preis der Deutschen Forschungs-gemeinschaft.

iM PrinziP ist die konstruktion von unsichtbAr MAchenden tArnk APPen Möglich

43der Spez ial ist

› 30

lenlänge des einfallenden Lichtes. Denn erst dann kann das Licht „umgelenkt“ werden. Um auch bei sichtbarem Licht den Tarnkappeneffekt zu erzie-len, benötigte man entsprechend ein Material aus winzigen Nanostrukturen, die rund 25.000 bis 50.000 mal kleiner als im vorgestellten Fall sein müssten – und die sind schwierig zu fertigen.

Aufbauend auf den Forschungen von Sir John Pendry entwickelten Dr. Stefan Linden und sein Team ein Metamaterial, das durch seinen spe-zifische Aufbau aus winzigen Nanostrukturen in der Lage ist, infrarotes Licht mit einer Wellen-länge von 780 Nanometern „negativ“ zu brechen. Den Effekt der negativen Brechung beschrieb erst-

mals 1968 der russische Physiker Victor Veselago als futuristische Vision. Das Prinzip dabei: Nor-malerweise wird ein Lichtstrahl beim Übergang zwischen zwei Materialien zum Einfallslot hin „positiv“ gebrochen. Ein Strohhalm im Wasser-glas erscheint daher abgeknickt. „Beim Auftref-fen des Lichtes auf ein optisches Metamaterial mit negativem Brechungsindex werden die Licht-wellen hingegen nicht nur wie in der Natur zum Einfallslot hin, sondern aufgrund der speziellen optischen Eigenschaften sogar darüber hinaus in ,negativen‘ Winkeln gebrochen“, so Dr. Stefan Lin-den. Ein halb eingetauchter Strohhalm hätte dann nicht nur einen leichten Knick, sondern er würde aussehen wie ein V. Die künstlich erzeugten Nanostrukturen des in Karlsruhe entwickelten Metamaterials haben eine Größe von etwa 100 millionstel Millimetern

nAnostrukturen Mit AuFgedAMPFten schichten Aus gold und MAgnesiuM

› 30Auch die Tierwelt macht sich das Phänomen der Unsichtbarkeit zu Nutze: Ozeanbewohner wie das Pygmäen-Seepferdchen verschmelzen schein-bar mit der Umgebung, um sich vor Feinden zu schützen.

100 nm

1 µm

panorama

44 der Spez ial ist44

und gleichen unter dem Elektronenmikroskop betrachtet einem regelmäßig gestanzten Lochgit-ter als Negativform. Zur Fertigung setzt Dr. Linden auf den Einsatz der Elektronenstrahl-Lithographie. Dabei werden kleine Glasplättchen als Träger mit einer Größe von ein mal ein Zentimeter zunächst mithilfe einer Lackschleuder mit einem dünnen Film aus elektronenempfindlichem Lack beschich-tet. In einem zweiten Schritt wird der aufgetra-gene Lack mit einem computergesteuerten Elek-

tronenstrahl in einem Elektronenmikroskop auf Basis vorheriger Berechnungen belichtet und die belichteten Stellen anschließend herausgelöst, um so eine Lochstruktur im Nanometerbereich zu erhalten. Nach dem Entwickeln werden abwech-selnd metallische und dielektrische, also schwach leitende Schichten aus Gold bzw. Magnesium-fluorid durch Aufdampfen auf die Strukturen auf-gebracht. Gemeinsam erzeugen die beiden Schich-ten eine magnetische Resonanz, durch die auf-treffende elektromagnetische Strahlung umgelei-tet wird. Abschließend wird der unbelichtete Lack mit den darauf abgelagerten Schichten abgelöst, sodass sich die gewünschte noppenartige Struk-tur ergibt.

„Was übrig bleibt, ist ein hauchdünnes Metama-terial, das in der Lage ist, auftreffendes Licht mit einer Wellenlänge von 780 Nanometern negativ zu brechen“, so Dr. Stefan Linden. Weitergehende

› 31

› 32

› 31Elektronenmikroskopauf-nahme eines Metamate-rials, das einen negativen Brechungsindex für 780 Nanometer aufweist.

› 32Vertrauter und unver-trauter Anblick: Das computergenerierte Bild zeigt links eine Flüssigkeit mit positivem Brechungs-index (n = 1,3), im rechten Glas befindet sich eine Flüssigkeit mit negativem Brechungsindex (n = -1,3).

erkenntnisse sind bislAng noch reine grundlAgenForschung

panorama

4545der Spez ial ist

Erwartungen dämpft er jedoch ganz bewusst: „Bis-lang sind unsere Erkenntnisse reine Grundlagen-forschung.“ Im Hinblick auf die Herstellung einer unsichtbar machenden Tarnkappe hält er die ein-gesetzte Technik der Elektronenstrahl-Lithogra-phie sogar für eine Sackgasse, deren Grenzen be-reits jetzt erreicht sind: „Denn um wirklich den Effekt von Unsichtbarkeit zu erzeugen, müsste das eingesetzte Metamaterial wesentlich dicker sein, um die einfallende Strahlung wirklich kom-plett umzulenken. Mit der vorhandenen Technik lassen sich aber nicht mehr als vier metallische und dielektrische Schichten aufbringen, da sonst die Fehleranfälligkeit bei der Fertigung zu groß würde.“

Parallel arbeitet das Team daher inzwischen daran, komplexere 3-D-Nanostrukturen mithilfe eines Laserstrahlers aufzubringen und anschlie-ßend in einem chemischen Gasscheideprozess

mit Metall zu beschichten. Doch auch hier ist Dr. Stefan Linden darum bemüht, allzu große Eupho-rie erst gar nicht aufkommen zu lassen: „In der Theo rie sind hier natürlich die vielfältigsten Anwendungen denkbar“, so der Wissenschaftler. „Dennoch halte ich es letztlich für ausgeschlos-sen, in naher Zukunft größere Objekte unsichtbar zu machen. Das wäre technologisch viel zu auf-wändig. Und wenn, dann würde es wahrschein-lich nur für einen kleinen Spektralausschnitt und nicht für das gesamte sichtbare Spektrum funk-tionieren.“ Konkrete Anfragen aus der Indus-trie gibt es dementsprechend bislang noch keine. Doch das kann sich je nach aktuellem Stand der Forschung jederzeit schnell ändern. Denn wie die weitere Entwicklung der Technologie des Ver-schwindens aussehen wird, lässt sich heute noch nicht endgültig abschätzen. So bleibt die Zukunft weiter unsichtbar.

45

› 33

› 33Eine Beschichtung der Außenhaut verleiht auch der Nighthawk F-117 ihre besondere Tarnkappen-eigenschaft. Bis zu 90 % der Radarstrahlung werden im Idealfall absorbiert.

die unsichtbArkeit grösserer objekte ist zurzeit FernAb jeder reAlität

termine

der Spez ial ist46

termine

meilensteine

Polytechnische Schule nennt sich Deutschlands erste technische Hoch-schule in Karlsruhe. Etwa 100 junge Männer aus dem gehobenen Bürger-tum werden im Gründungsjahr an der neuen Hochschule aufgenommen.

Henry Ford wird bei Detroit/Michigan als Sohn eines Farmers geboren. Als leitender Ingenieur bei der „Edison Illuminating Company“ konstru-ierte er 1892 erste Automobile. Er gründet 1903 die „Ford Motor Company“.

Im kalifornischen Institut für Technologie wird das HALE-Teleskop auf dem Mount Palomar in Betrieb genommen. Es ist für mehrere Jahrzehnte das größte Fernrohr der Welt.

11. Juni 1825

30. Juli 1863

3. Juni 1948

AusgAbe 14 || August 2009

august 2009 b is Dezember 2009

august 2009

September 2009

messen und veranstaltungen

ForMulA student gerMAny, hockenheiMringNach nur acht Sekunden waren alle Startplätze für die diesjährige Formula Student Germany vergeben. Am Rennwochenende werden sich 38 Teams von deutschen Hochschulen und 40 internationale Teams in statischen und dynamischen Disziplinen messen. www.formulastudent.de

doors® 4 MAnAgers (seMinAr Für FührungskräFte)Die gesetzten Ziele zu erreichen, ist eine wichtige Voraussetzung auf dem Weg zum Erfolg. Mit dem Brunel Seminar „DOORS® 4 Managers“ wird neben der Vermittlung von Grundlagenkenntnissen an einem Fallbeispiel der grundsätzliche Ablauf des Requirement-Management-Prozesses erklärt. Der genaue Veranstaltungstermin sowie alle weiteren für die Veranstal-tung wichtigen Informationen wie Veranstaltungsort, Kosten etc. werden in Kürze auf unserer Website www.brunel.de bekannt gegeben. Interessierte können bereits jetzt ihre Anfragen mit dem Betreff „DOORS® 4 Managers“ an seminar@brunel.de richten.

› SeptemberRequirement-Management-

Prozesse stehen im Mit-telpunkt dieses Seminars, das sich in erster Linie an

Führungskräfte wendet.

›5. –9. aug. Nachwuchsingenieure aus

der ganzen Welt messen sich alljährlich in sta-

tischen und dynamischen Disziplinen auf dem

Hockenheimring.

AusgAbe 14 || August 2009

ReDAKTIONsANsCHRIFT

Brunel GmbH, Redaktion „Der Spezialist“Airport City, Hermann-Köhl-Str. 1, 28199 Bremenredaktion@der-spezialist.de, www.der-spezialist.deTelefon 0421 / 1 69 41-14

HeRAusgebeR

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DIALOG Public Relations, BremenGfG / Gruppe für Gestaltung GmbH, Bremen

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GfG / Gruppe für Gestaltung GmbH, Bremen

FOTOgRAFIe (COPYRIgHTs)

Sofern nicht abweichend, alle Angaben als Bildnummern: GfG / Gruppe für Gestaltung (Titel, U 2), Brunel GmbH (S. 03), Dr. Martin M. Roth (S. 06), Panthermedia (01, 30, 33), Astrophysikalisches Institut Potsdam (AIP) (02–03), NASA (04, 06), Loránd Eötvös University Gothard Astrophysical Observatory (S. 10), dpa Picture-Alliance (05, 07–10, 13, 19), Dr. Michael Geffert (S. 12), Prof. Dr. Andrea Robitzki (S. 18), Biotechnologisch-Biomedizinisches Zentrum (BBZ) der Universität Leipzig (11–12), Sonia Carramiñana (S. 22), Deutsche Lufthansa AG (14–16), Axel Hess (S. 26), Fotolia (17–18, 26), Prof. Frieder Häfner (S. 29), GFZ Deutsches GeoForschungsZentrum (S. 30), Tesat-Spacecom GmbH & Co. KG (S. 32, 21–23), Hans Deumling (25), Litracon (27, 29), Montblanc, Japan (28), Áron Losonczi (S. 41), Dr. Stefan Linden (S. 42), Universität Karlsruhe (31–32)

DRuCK

Druckerei Girzig + Gottschalk GmbH, Bremen

eRsCHeINuNgsWeIse

2 Ausgaben / Jahr, Auflage 23.000 Stück

„uNseRe sPezIALIsTIN“RITA MeIeR

Sowohl im Beruf als auch beiihrem Hobby, dem Klettern, plantRita Meier genau, wie sie ihrenAufstieg sichert. „Es kommt aufStrategie an, nicht auf Kraft, dasgefällt mir“, sagt die Luft- undRaumfahrtingenieurin, die nachihrem Abschluss an der RMIT University in Melbourne nach Deutschland kam. Nach Statio-nen unter anderem bei Airbus arbeitet Rita Meier aktuell bei MTU Aero Engines in München als Projektingenieurin für Triebwerks-komponenten am Antrieb für die Boeing 787.

impressum

Brunel GmbH | Projektpartner für Technik und Management

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K O P F ?

Erfolg ist kein Glücksspiel:Erfolg ist eine Frage guter Vorbereitung – auf jede Anforderung flexibel, schnell und sicher reagieren zu können. Was Sie dafür brauchen, ist ein Partner, der Sie immer passend unterstützt.Setzen Sie Know-how und Kapazitäten flexibel und punktgenau ein – mit unserer Hilfe. Unsere hoch qualifizierten Ingenieure, Techniker und Informatiker machen Ihren Erfolg planbar. www.brunel.de

6018_08.2009

AusgAbe 14 || August 2009

Das Magazin für Technik und Management

Der Fall „Comet“ Wie die Flugzeugfenster ihre heutige Form fanden

Dig italer P i lotenkofferAktuellere Informationen versprechen mehr Flugsicherheit

Datentransfer im Weltall

Kommunikation per Laser

Rita Meier

und der Karabinerhaken >>

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