Forschungskooperationen

Gemeinschaftsprojekte mit der Max-Planck-Gesellschaft

Aktuelle Projekte

Glyco3Display  – Zucker-DNA-Kombimoleküle als neue antimikrobielle Agenzien

 

Im Projekt »Glyco3Display« kreiert ein Team des Fraunhofer IZI gemeinsam mit dem Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung eine neue Stoffgruppe, die als innovatives mikrobielles Agens fungieren könnte. Dazu werden verschiedene Zuckermoleküle an ein DNA-Gerüst gekoppelt. Dann wird untersucht, ob sich die Zucker-DNA-Kombimoleküle an Rezeptoren auf der Oberfläche von pathogenen Mikroorganismen anlagern. Durch die Anlagerung könnten die Rezeptoren so blockiert werden, dass die Krankheitserreger nicht mehr in der Lage sind, an menschliche Zellen anzudocken und sie zu infizieren.


Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI 
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Laufzeit: 2018 - 2022

Akustische Hologramme – Ein neuer Ansatz für 3D-Ultraschall

 

Ultraschall spannt den Bogen zwischen einfachsten sensorischen Systemen wie bei der Abstandsmessung im Auto bis hin zur komplexen dreidimensionalen Bildgebung in der Medizin. Die technologische Umsetzung ist bisher allerdings grundverschieden: Einfache Wandler und einkanalige Elektronik auf der einen und Arrays mit hunderten von Elementen sowie Systeme mit bis zu tausend elektrischen Kanälen auf der anderen Seite. Das Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT hat 2016 darstellen können, dass mithilfe einer mikrostrukturierten Phasenplatte auch mit Einzelelementwandlern und nur einem elektrischen Kanal definierte, dreidimensionale Ultraschallfelder holographisch erzeugt werden können.

Die Berechnung dieser akustischen Hologramme ist komplex, ihre Herstellung hingegen extrem einfach, und sie ermöglichen die Erzeugung von Schallfeldern mit bisher unerreicht hohen Freiheitsgraden. Durch diesen Paradigmenwechsel können zukünftig auch für einkanalige Ultraschallsysteme komplett neue Anwendungsbereiche wie dreidimensionale Bildgebung, komplexe medizinische Therapien und additive Fertigung erschlossen werden. Das Kooperationsprojekt AKUSTOGRAMME des Fraunhofer IBMT und des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme soll die dazu notwendigen theoretischen und experimentellen Grundlagen erarbeiten und die Potenziale der Technologie aufzeigen.


Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme
Laufzeit: 2018 - 2022

»High-QG« - Optomechaniken hoher Güte für quantenrauschlimitierte Gravitationswellendetektion

 

Das Projekt ist fokussiert auf die Überwindung einer der kritischsten und fundamentalsten aktuellen Limitierungen von Gravitationswellendetektoren, dem thermischen Rauschen. Das thermische Rauschen ist ein quantenmechanischer Effekt, welcher durch die absolute Temperatur verursacht wird und durch mechanische Verluste in den Opto-Mechaniken in die Detektoren und Instrumente einkoppelt. Im Projekt »HighQG« werden resonante Wellenleiterspiegel als monolithische Testmassen für erdgebundene Gravitationswellendetektoren und niederfrequente, opto-mechanische Beschleunigungsmesser für die seismische Isolation von Gravitationswellendetektoren entwickelt, hergestellt und getestet. Hierfür haben sich das Fraunhofer IOF und das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik zusammengetan.

Die weit über den Stand der Technik angestrebten Zielspezifikationen im Bereich der Gravitationswellendetektoren werden kurzfristig in der Weltraumforschung, der Astronomie und in der Laserbranche eingesetzt. Langfristig dienen diese der Erschließung neuer Forschungsfelder wie der Quantenoptik.


Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik
Laufzeit: 2018 - 2020

© Fraunhofer IAF

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Diamantspitze

DiaNMR ­– Kernspinresonanzspektroskopie auf Nanoebene

Auf Basis der Kernspinresonanz-Spektroskopie entwickeln Forscher vom  Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und vom Fraunhofer-Institut für Festkörperphysik IAF hochsensible Diamantsensoren, die in der Lage sind,  kleinste magnetische Felder nanometergenau zu charakterisieren. Eine künftige Einsatzmöglichkeit ist die Analyse und Kontrolle von Speichermedien, um fehlerhafte Festplattenbereiche zu identifizieren.

Die fortschreitende Digitalisierung in allen Lebensbereichen lässt die weltweit produzierte Datenmenge rasant ansteigen. Waren es im Jahr 2015 noch 8 Zettabytes, soll der Wert bis zum Jahr 2020 laut der EMC Studie „Digital Universe“ auf über 40 Zettabytes ansteigen. Wie unvorstellbar groß diese Zahl ist, visualisieren die Experten der Studie mit folgendem Vergleich: 40 Zettabytes entsprechen 57-mal der Menge an Sandkörnern aller Strände der Erde.

Mit steigendem Datenvolumen steigt auch der Bedarf an kompakten magnetischen Speichermedien. Die Industrie produziert immer dichter beschriebene Festplatten. Aber mit der Datendichte steigt auch die Fehlerquote exponentiell an. Verdoppelt man die Datendichte, verzehnfacht sich die Fehlerrate in der Produktion und der Ausschuss steigt. Oft sind nur einzelne Sektoren der Festplatte fehlerhaft. Mit einem neuen Verfahren der Kernspinresonanz-Spektroskopie haben die Forscher eine Lösung gefunden, die einzelnen Datensegmente auf der Festplatte zu prüfen. Anhand von Diamantsensoren erkennen sie, ob ein Magnetfeld anliegt oder nicht. Diese fehlerhaften Segmente können damit geortet und vom Schreib- und Lesevorgang ausgeschlossen werden. Millionen von Festplatten oder Schreibköpfen können so geprüft, Ausschussraten reduziert und dadurch Kosten gesenkt werden.

Um mit Diamantsensoren Magnetfelder zu identifizieren, wird in der Kohlenstoffanordnung einer winzigen Diamantspitze ein Stickstoffatom eingebracht. Über die Elektronen des entstehenden Stickstoff-Vakanz-Zentrums können mit der Kernspinresonanz-Spektroskopie selbst kleinste magnetische Felder von wenigen Nanometern detektiert werden.

Die Diamantsensoren könnten in Zukunft in einer Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen zum Einsatz kommen, zum Beispiel in der Biomedizin für den Nachweis von Krankheiten und Giftstoffen oder in der Materialwissenschaft für die Zuverlässigkeits- und Sicherheitsprüfung.

 

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Festkörperphysik IAF
Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF)
Laufzeit: 2016 - 2018

PowerQuant – leistungsfähigere Faserlaser

 

Mit ihrem Vorhaben PowerQuant wollen Forscher des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts und des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF  die Leistung von Faserlasern erweitern.

Schneiden, Schweißen, Bohren: Laser haben heute vielfältige Einsatzfelder in Wirtschaft und Wissenschaft, etwa als verschleißfreies Werkzeug oder berührungsloses Messinstrument. Innerhalb der Hochleistungsanwendungen weisen vor allem Faserlaser gegenüber anderen Lasertypen Vorteile auf – etwa höchste Ausgangsleistung mit hervorragender Strahlqualität. Bei Hochleistungsfaserlasern treten ab einer bestimmten Leistung unerwünschte Effekte, so genannte Modeninstabilitäten auf.  Dabei lässt die Strahlqualität des Lasers nach und kann nicht weiter gesteigert werden. Mit einer neuartigen 3D-Messtechnik wollen die Forscher das Faserinnere an der Modeninstabilitätsschwelle während des Hochleistungsverstärkerbetriebs zeitaufgelöst in 3D beobachten. Auf Basis der gewonnenen Daten sollen  Strategien entwickelt werden , um das Phänomen der physikalischen Begrenzung zu vermeiden. Als weiteren Aspekt evaluieren die Wissenschaftler eine neue Methode der Leistungsskalierung, die  ein deutliches Verbesserungspotenzial bei Faserlasern verspricht.
 

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik IOF 
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL)
Laufzeit: 2016 - 2018

ZellMOS – Schlüssel für intelligente Zell-Implantate

 

Eine Voraussetzung für zukünftige Gehirn-Computer-Schnittstellen und fortgeschrittene Biosensoren wollen Forscher des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung und des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS schaffen: Eine stabile elektronische Kopplung von lebenden Zellen mit Halbleiterschaltungen zu beherrschen ist der Schlüssel für zukünftige intelligente zelluläre Implantate oder invitro-Kulturen.

Basis des aktuellen Vorhabens ist ein Patent des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung: Dessen Forscher entdeckten, dass Zellen einen langzeitstabilen elektrischen Kontakt aufbauen können, wenn sie sich auf 3D-Elektroden mit spezieller Geometrie befinden. In diesem Fall penetrieren die Elektroden die Zellwände, ohne dass zytotoxische Effekte beobachtet werden konnten. Das tatsächliche Eindringen in die Zelle wurde rasterelektronenmikroskopisch bestätigt.

Im Projekt ZellMOS werden diese Kenntnisse mit einer neuen Entwicklung des Fraunhofer IMS kombiniert, welche die Integration von 3D-Nanostrukturen auf Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS) ermöglicht. Gemeinsam wollen die Forscher beider Wissenschaftsorganisationen zwischen lebenden Zellen und CMOS-integrierten 3D-Elektroden eine direkte, effiziente, bidirektionale und langzeitstabile elektronische Kopplung demonstrieren. Die größte Herausforderung erwarten die Forscher bei der Langzeitstabilität. Dazu werden sie den Ablauf von elektrochemischen Prozessen im Zellinneren an der Elektrode, die aus Ruthenium-Nadeln gefertigt werden, untersuchen.

Im Rahmen ihrer Zusammenarbeit hoffen die Wissenschaftler, grundlegende biophysikalisch-chemische Fragen zu beantworten und damit zur Entwicklung neuer intelligenter Implantate und Sensoren beizutragen.   

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
Max-Planck-Institut für medizinische Forschung  (MPIMF)
Laufzeit: 2016 - 2018

HEUSLER – Neue Magnetische Materialien ohne Seltene Erden

 

Leistungsstarke Hartmagnete sind in allen Bereichen des Lebens unerlässlich, etwa in der medizinischen Diagnostik,  zur Energieerzeugung, in der Elektromobilität sowie bei Konsumgütern wie Autos. Derzeit werden dafür Permanentmagnete aus Samarium -Kobalt-Legierungen verwendet, die aus Seltenen Erden hergestellt werden. Bei Seltenen Erden besteht ein hohes Versorgungsrisiko, deshalb ist die Suche nach Alternativen unerlässlich. Heusler-Verbindungen könnten diese Alternative sein. Das Projekt befasst sich mit der Erzeugung von Heusler-Verbindungen mit vergleichbaren magnetischen Eigenschaften wie Hartmagnete aus Seltenen Erden und gleichzeitig geringen Materialkosten. Diese alternativen Materialien sind eine Chance, dass viele Branchen in der deutschen Industrie ihre führende Position bei der Forschung und Entwicklung von Hightech-Produkten festigen können.


Beteiligte Institute:


Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe CPFS
Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik
Laufzeit: 2014-2017

AIM-Biotech – Application of Insect-associated Microbes in industrial Biotechnology

 

In der industrielle (weiße) Biotechnologie wird die Umwandlung von Rohmaterialen in verwendbare industrielle Produkte durch Biotransformation erforscht, meist mit einem Fokus auf Mikroben und / oder Enzyme. Die vielfältigsten Individuen auf der Erde, die Insekten, haben einen Teil ihres evolutionären Erfolgs im Leben unter extremen Bedingungen ihrer eigenen Version der weißen Biotechnologie, der Symbiose mit Mikroorganismen, zu verdanken. Das Projekt AIM-Biotech zielt darauf die Werkzeuge und Methoden der industriellen Biotechnologie zu erweitern. Dabei werden insekten-assoziierte Mikroben untersucht, als biologische Ressource für die Produktion von Enzymen, welche die Konversion in Biomasse ermöglichen. Vielfältige und neueste Methoden der Biochemie, Molekularbiologie und Zellbiologie werden angewendet, um die Zusammenhänge zwischen der speziellen Insektenspezies, welche in bestimmten ökologischen Nischen leben, und ihrem jeweiligen Mikrobiom aufzudecken. Dadurch wird es unter anderem möglich sein, zwischen wirtseigenem und dem durch Symbiont erworbenen Prozess zu unterscheiden und dies für eine effizientere Biomassekonversion zu nutzen

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME
Max-Planck-Institut für chemische Ökologie
Laufzeit: 2015 - 2019

LightField – Perceptually-aware light field capture, processing and display

 

Ein Lichtfeld wird durch die Anzahl aller Lichtstrahlen definiert, welche ähnlich einem Fenster eine wohl definierte Ebene durchdringen. Könnten alle Lichtstrahlen einer Szene aufgenommen werden, so wäre es theoretisch möglich, die Szene aus jeder Position und mit jeder gewünschten Tiefenschärfe zu rekonstruieren. Lichtfelder erfassen somit alle visuellen Reize, welche das menschliche Auge bei der Betrachtung der Welt erfährt, und übertreffen damit alle bekannten Verfahren wie beispielsweise räumliche Wahrnehmung mittels Stereoskopie. Das Vorhandensein von so genannter Bewegungsparallaxe, bei der sich Objekte relativ zueinander bewegen, wenn der Betrachter seine Position ändert, führt zu einer bisher unerreichbaren Realitätstreue. Allerdings limitiert bisher die ungelöste Erfassung, Verarbeitung und Handhabung der damit verbundenen Datenmengen die Verbreitung der Technik in hochauflösenden digitalen Medien.
Im Projekt „Light Field“ werden diese Schwierigkeiten angegangen und ein vollständiges System von der Lichtfelderfassung über die Lichtfeldbearbeitung bis zum Rendering und der finalen Darstellung entwickelt. Ziel ist die Kombination der Kompetenzen des Fraunhofer IIS in der Lichtfelderfassung und Medienbearbeitung mit den Fähigkeiten des Max-Planck-Instituts für Informatik zur Modellierung der menschlichen Wahrnehmung und der darauf optimierten Verarbeitung. Dies verspricht, die erzielbare Videoqualität und Interaktivität beträchtlich zu steigern.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Max-Planck-Institut für Informatik
Laufzeit: 2015 - 2019

Pompeji als Restaurierungsarchiv und Expositionslabor 

 

Eine interdisziplinäre natur- und geisteswissenschaftliche Untersuchung der über 250-jährigen Restaurierungs- und Musealisierungsgeschichte Pompejis verbunden mit dem Ziel der Entwicklung innovativer, dauerhafter Restaurierungsmaterialien und Verfahren

Die Erhaltung antiker Stätten ist eine der großen Herausforderungen unserer Gegenwart. So steht das weltbekannte Pompeji, die am vollständigsten erhaltene antike Stadt weltweit, aktuell auf der Liste „Heritage at Risk“ der UNESCO Weltkulturerbe-Kommission. Mit der Zusammenführung der technologischen Kompetenzen des Fraunhofer IBP und der kunst- und kulturwissenschaftlichen Expertise des Kunsthistorischen Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Florenz wird dieses Kooperationsprojekt einen substanziellen Beitrag zum Verständnis des Umgangs mit Denkmälern und dem nachhaltigen Schutz des europäischen kulturellen Erbes leisten: In dem naturwissenschaftlichen Ansatz werden die an den pompejanischen Originalen eingesetzten Restaurierungsverfahren und deren Dauerhaftigkeit im Detail analysiert.

Ein besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf der Untersuchung von Architekturoberflächen und Mörteln; die kunsthistorische Untersuchung widmet sich der Geschichte der Restaurierung in ihren zeit-, wissens- und technikhistorischen Kontexten. Auf diese Weise werden die bislang verstreuten oder noch nicht gehobenen Quellen zu 250 Jahren Restaurierungs- und Musealisierungsgeschichte in Pompei (mit Seitenblicken auf Herculaneum) erstmals zusammengeführt, wissenschaftlich analysiert und erforscht. Sie dienen zugleich als Wissensbasis für die Entwicklung neuartiger Restaurierungsmaterialien und für innovative Ansätze in der historischen Erforschung Pompejis. Die gewonnenen Erkenntnisse über die neuzeitliche Gestaltung und Formung der Antikenstätte sind unverzichtbar für eine zukünftige Aufarbeitung und die museale Vermittlung der Bauten.

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
Kunsthistorisches Institut in Florenz der Max-Planck-Gesellschaft
Laufzeit: 2015 - 2019

AProLAM – ADVANCED ALLOY AND PROCESS DESIGN FOR LASER ADDITIVE MANUFACTURING OF METALS

 

Laser Additive Manufacturing (LAM) ist ein Fertigungsverfahren mit dem Bauteile direkt von einer Computerdatei mit Pulverwerkstoffen über einen Schmelzprozess hergestellt werden können. Das enorme Potential des LAM liegt in der Herstellung maßgeschneiderter Bauteile mit hohem Individualisierungsgrad und hoher Komplexität. Das Potential des LAM kann heute noch nicht ausgeschöpft werden, da bisher nur Werkstoffe verarbeitet werden, die für andere Fertigungsverfahren optimiert wurden. Im Projekt AProLAM sollen nun in einem kombinatorischen Ansatz Legierungsdesign und Prozessdesign aufeinander abgestimmt werden, so dass die spezifischen Charakteristika des LAM wie zum Beispiel die hohen Abkühlraten optimal genutzt werden können. Dazu ist die Expertise des Fraunhofer ILT in der LAM-Prozesstechnik und die des Max-Planck-Instituts für Eisenforschung in der Werkstofftechnik für den Erfolg des Projektes erforderlich. Als Ergebnis werden ausgewählte neue Metalllegierungen entstehen, die optimal an die Prozessbedingungen des LAM angepasst sind und in ihren Eigenschaften den Stand der Technik übertreffen. Darüber hinaus steht das LAM als Verfahren zur Verfügung, mit dem in Zukunft neue Legierungen in kurzen Zeiträumen entwickelt werden können (Rapid Alloy Design)

Beteiligte Institute:

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Max-Planck-Institut für Eisenforschung
Laufzeit: 2015 - 2019

Pakt für Forschung und Innovation

Mit dem Pakt für Forschung und Innovation verfolgen Bund und Länder sowie die Wissenschaftsorganisationen das Ziel, die Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Forschung durch eine bessere Ausschöpfung der vorhandenen Potenziale zu steigern.