Kooperationsprojekte

Kooperationen mit der Fraunhofer-Gesellschaft

Der Jahresbericht listet alle derzeit existierenden Kooperationsprojekte zwischen Max-Planck- und Fraunhofer-Instituten. [mehr]

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Kooperationen: Max-Planck- und Fraunhofer-Institute

Kooperation mit Fraunhofer

Die Zusammenarbeit mit der Fraunhofer-Gesellschaft ist auf Grund ihrer Ausrichtung auf angewandte Forschung von besonderem Interesse. Im Rahmen des Pakts für Forschung und Innovation haben die Max-Planck-Gesellschaft und die Fraunhofer-Gesellschaft ihre Kooperationen gezielt in fachlichen und übergreifenden Bereichen fortgeführt und vertieft. Seit 2005 sind an der Schnittstelle zwischen angewandter Forschung und Grundlagenforschung zahlreiche Projekte identifiziert und in die Förderung aufgenommen worden. Sie stammen aus den Bereichen Informatik, Materialwissenschaften/Nanotechnologie und Biotechnologie sowie den Regenerativen Energien und der Photonik. Ziel ist es, durch diese Kooperationen die in der Grundlagenforschung gewonnenen Erkenntnisse zur Anwendung zu führen und damit einen direkten Beitrag zur Entwicklung neuer Technologien zu leisten.

LightField – Wahrnehmungsorientierte Aufnahme, Verarbeitung und Darstellung von Lichtfeldern

Datenbrillen könnten uns künftig völlig neue Perspektiven auf die Welt eröffnen. Doch damit wir etwa ein Auto schon auf dem Bildschirm von verschiedenen Seiten betrachten oder Filmszenen aus mehreren Blickwinkeln folgen können, brauchen wir neue Möglichkeiten, Bilder aufzunehmen und zu verarbeiten. Die Forscher des LightField-Projektes möchten diese Möglichkeiten schaffen, indem sie Geräte und Software entwickeln, um Lichtfelder aufzunehmen und zu verarbeiten. Ein Lichtfeld enthält alle optischen Informationen, die wir wahrnehmen, wenn wir etwa durch ein großes Fenster auf eine Straßenszene blicken und dabei unsere Position verändern. Um in einer Datenbrille ähnlich viele optische Informationen zur Verfügung zu stellen, konstruieren die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS geeignete Kamerasysteme. Bei Aufnahmen mit solchen Kameras fallen immense Datenmengen an. Um das Datenvolumen auf ein handhabbares Maß zu reduzieren, steuern die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Informatik die entsprechende Software bei. Die Software soll dabei auch entscheiden können, welchen Verarbeitungsweg sie wählen muss, damit ein Betrachter möglichst keine Qualitätsverluste bemerkt.

Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Max-Planck-Institut für Informatik

Laufzeit: 2015 - 2019

AProLAM – Entwicklung von Spezial-Legierungen und Prozessen für die lasergestützte additive Verarbeitung von Metallen

Der 3D-Druck bietet völlig neue Möglichkeiten für die Materialverarbeitung. Er ermöglicht es, komplexe Werkstücke mit hoher Präzision herzustellen. Auch Metalle lassen sich in einer Art 3D-Druck zu komplexen Bauteilen verarbeiten, die insbesondere in der Automobilindustrie sowie der Luft- und Raumfahrt benötigt werden. Zu diesem Zweck verschmelzen Laser metallische Pulver Schicht für Schicht zu der gewünschten Form. Im Forschungsprojekt AProLAM entwickeln Wissenschaftler Metalllegierungen, die sich für diese Form der Verarbeitung besonders gut eignen. Gleichzeitig passen sie den Verarbeitungsprozess so an, dass die Materialien effizient verarbeitet und ihre Eigenschaften optimiert werden.

Verfahren des 3D-Drucks bieten gegenüber subtraktiven Herstellungsmethoden, bei denen das Werkstück aus einem Metallblock herausgefräst wird, einige Vorteile. Denn auf diese Weise lassen sich beliebig komplexe Formen direkt von einem Computer-Modell erzeugen. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um Einzelstücke handelt oder um eine Massenproduktion. Auch Variationen im Bauteil lassen sich schnell umsetzen. Zudem sparen diese Verfahren Ressourcen, und sie verkürzen die Zeit, die vom Design eines Bauteils bis zu seinem Einsatz vergeht. Das AProLam-Projekt soll dazu beitragen, diese Vorzüge noch stärker zum Tragen zu bringen.

Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Max-Planck-Institut für Eisenforschung

Laufzeit: 2015 - 2019

Pompeji als Restaurierungsarchiv und Expositionslabor

Der Ausbruch des Vesuv vor 2000 Jahren hat zu Pompejis Untergang geführt; heute sind es Regen und Sonne, aber auch fehlendes Geld, Schlamperei und Korruption, die den seit 1748 Stück für Stück wieder ausgegrabenen Ruinen zusetzen. Mehr als zwei Millionen Menschen besuchen jedes Jahr das Areal. Damit auch künftige Generationen eine Chance haben, die antike Stätte am Golf von Neapel zu sehen, steht der Erhalt an oberster Stelle. Hierzu könnten Kunsthistoriker und Bauphysiker aus der Fraunhofer- und der Max-Planck-Gesellschaft beitragen. Sie haben ein Kooperationsprojekt angestoßen, um herausfinden, wie sich Architekturoberflächen und Mörtel verschiedener Restaurierungsabschnitte zusammensetzen und wie gut sie erhalten sind, um neue Materialien zu entwickeln. Die naturwissenschaftliche Analyse findet unter Anwendung neuer Verfahren im Labor statt, während die Geisteswissenschaftler bislang verstreute oder noch nicht gehobene historische Text- und Bildquellen analysieren. Ihnen wollen sie unter anderem Informationen zur Musealisierungsgeschichte Pompejis entnehmen, über Auftraggeber und Ausführende von Restaurierungsarbeiten und ihre Vorstellungen von antiker Architektur. 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

AIM-Biotech – Einsatz von Insekten-assoziierten Mikroorganismen in der industriellen Biotechnologie

Insekten gehören zu der Tiergruppe mit der größten Artenvielfalt auf der Erde. Diesen Erfolg verdanken sie unter anderem der Symbiose mit Bakterien und Pilzen, die den Insekten beispielsweise bei der Verdauung helfen. Dabei haben die Mikroorganismen biochemische Werkzeuge entwickelt, die auch für technische und wissenschaftliche Anwendungen interessant sein könnten.

In dem Projekt AIM-Biotech werden die beteiligten Wissenschaftler solche mit Insekten vergesellschafteten Mikroorganismen untersuchen und Kandidaten für den Einsatz in der Biotechnologie ausfindig machen. Dafür wollen sie herausfinden, welche Gene und Enzyme an der Verdauung und Entgiftung der Insektennahrung beteiligt sind. Die Forscher suchen auch nach Wegen, wie sie die Mikroorganismen in Bioreaktoren kultivieren und aus ihnen Enzyme, Biotenside und andere Substanzen gewinnen können.

Die Kleidermotte (Tineola bisselliella) und ihre Mikroben soll ihnen zeigen, wie sich das normalerweise unverdauliche Protein Keratin der Haare als Nahrung nutzen lässt. Die Larven der Schwarzen Soldatenfliege (Hermetia illucens) dienen als Modell für Anpassungen an einen extremen Lebensraum, denn sie nutzen verwesende Tierkörper als Nahrung. Am ebenfalls von Aas lebenden Schwarzhörnigen Totengräber (Nicrophorus vespilloides) wollen die Wissenschaftler untersuchen, wie der Käfer seine Nahrung verwerten und durch die Bildung von Mikroben-hemmenden Substanzen haltbar machen kann.

Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME
Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Laufzeit: 2015 - 2018

MEGAS – Megahertz Attosekundenpulse zur ultraschnellen Photoelektronenmikroskopie und –spektroskopie

Elektronik arbeitet heute immer schneller und mit immer kleineren Strukturen. Um elektronische Prozesse in diesen Dimensionen untersuchen zu können und elektronische Bauteile noch leistungsfähiger zu machen, müssen auch die Werkzeuge der Forschung immer präziser werden. Das zu erreichen, ist das Ziel der Forscher im Megas-Projekt. Sie entwickeln einen Laser, der extrem ultraviolette Lichtpulse im Attosekundenbereich erzeugt. Eine Attosekunde ist der Milliardste Bruchteil einer Milliardstel Sekunde. Die neue Laserquelle soll dabei besonders brillante Pulse mit einer Wiederholungsrate von 40MHz abgeben. Zu diesem Zweck müssen die Megas-Forscher verschiedene Komponenten eines solchen Lasersystems weiterentwickeln. Sobald sie die Laserquelle entsprechend den Anforderungen optimiert haben, werden sie mit dieser Photoelektronenmikroskopie und -spektroskopie mit einer Zeitauflösung im Attosekundenbereich betreiben. Auf diese Weise können sie elektronische Prozesse verfolgen. Damit verbessern sie nicht nur ein Instrument für die Weiterentwicklung der Elektronik, sondern auch für die physikalische Grundlagenforschung in vielen Laboren weltweit.

Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Laufzeit: 2014 - 2016

InitialWear – Initiale Werkstoffschädigung an Hochpräzisionswerkzeugen

Dass es Handykameras von heute in ihrer Auflösung mit großen und schweren Spiegelreflexkameras von vor zehn Jahren aufnehmen können, liegt an einer Vielzahl an Hochpräzisionslinsen, die in ihnen verbaut werden. Zur Herstellung dieser Glaslinsen pressen spezielle Werkzeuge Glasrohlinge bei hoher Temperatur und hohem Druck in ihre endgültige Form. Damit die Glaslinse nicht am Press-Werkzeug haften bleibt und eine möglichst glatte Oberflächen bekommt, sind die Formen mit Edelmetall-Legierungen beschichtet – in etwa so, wie Backformen heute beschichtet sind, damit ein Kuchen nicht in ihnen haften bleibt. Wie eine Kuchenform verschleißt ein Werkzeug jedoch, sodass die Oberfläche der Linsen rauer wird oder die Linsen sich sogar nur schwer aus der Form lösen. Da Fehler in den Linsen zu Abbildungsfehlern führen, müssen die Pressformen aufwendig ersetzt werden. Das Forschungsprojekt InitialWear untersucht am Beispiel der Pressformen für Glaslinsen, wie der Verschleiß von Presswerkzeugen beginnt und wie dies verhindert werden kann. Letztlich soll so die Standzeit der Werkzeuge, das heißt die Zeit, in der sich mit diesen ohne Unterbrechung fehlerfreie Hochpräzisionslinsen herstellen lassen, deutlich verlängert werden. Das brächte nicht nur einen wirtschaftlichen Nutzen, sondern würde auch Energie sparen und die Umweltbelastung reduzieren.

Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Max-Planck-Institut für Eisenforschung

Laufzeit: 2014 - 2016

HEUSLER – Neue Magnetische Materialien ohne Seltene Erden

Starke Permanentmagnete sind für viele technische Anwendungen unerlässlich, etwa in der medizinischen Diagnostik, zur Energieerzeugung oder für die Elektromobilität. Derzeit werden dafür Legierungen aus Samarium und Kobalt oder aus Eisen, Bor und Neodym beziehungsweise Dysprosium verwendet. Diese Verbindungen verdanken ihre herausragenden magnetischen Eigenschaften den Metallen der Seltenen Erden, deren verfügbare Ressourcen begrenzt sind. Daher suchen die Forscher des Projektes nach Permanentmagneten ohne Seltene Erden, und zwar unter den Heusler-Verbindungen. Heusler-Verbindungen bestehen oft aus nicht-magnetischen Metallen wie Mangan, Kupfer, Gallium, Zinn oder Aluminium. Durch ihr chemisches Zusammenwirken können diese Metalle magnetische Eigenschaften annehmen. Aber auch magnetische Metalle wie Kobalt, Nickel oder Eisen können in magnetischen Heusler-Verbindungen enthalten sein. Die Max-Planck- und Fraunhofer-Wissenschaftler suchen sowohl in experimentellen als auch in theoretischen Hochdurchsatz-Verfahren nach Verbindungen, deren magnetische Eigenschaften an die derzeit stärksten Permanentmagnete heranreichen, aber kostengünstiger sind. Als besonders vielversprechend haben sich hier bereits manganhaltige Verbindungen erwiesen.

Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM
Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe
Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik

Laufzeit: 2014 - 2017

Dendrorefining: Ein neuer Ansatz zur stofflichen und energetischen Nutzung von Lignin

Biomasse zu verbrennen ist Verschwendung. Schließlich hat die Natur darin komplexe organische Verbindungen verarbeitet, die sich als Ausgangsmaterialien etwa für Kunststoffe oder für Bio-Treibstoffe eignen. Doch bislang ist es praktisch nicht möglich, an alle diese wertvollen chemischen Bestandteile heranzukommen. So fallen bei der Herstellung von Bio-Ethanol aus Zuckerrohr jährlich rund 200 Millionen Tonnen Lignin an, die verbrannt werden. In der skandinavischen Zellstoffproduktion gehen 50 Millionen Tonnen Lignin denselben Weg. Das Dendrorefining-Projekt soll da eine Alternative schaffen. Die Wissenschaftler der Kooperation erforschen katalytische Prozesse, um das Biopolymer Lignin mit Wasserstoff in seine chemischen Bausteine zu spalten. Einige der Substanzen, die so entstehen, lassen sich direkt in der chemischen Industrie einsetzen. Aus den anderen Produkten der Spaltung wollen die Forscher in einem zweiten Schritt Wasserstoff und Kohlenwasserstoffe (Alkane) erzeugen – auch dafür entwickeln sie Katalysatoren und chemische Verfahren. Die Alkane, die in diesem zweiten Schritt entstehen, könnten als flüssige Treibstoffe dienen. Mit dem Wasserstoff, der bisher weitgehend aus Erdgas oder Erdöl hergestellt wird, wollen die Wissenschaftler im ersten Schritt des Prozesses Lignin spalten und so die Lignin-Verarbeitung zu einem nachhaltigen Prozess machen.

Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung

Laufzeit: 2013 - 2015

MEP-Signalwege als Plattform für die Isoprenoid-Synthese

Ob als Medikamente gegen Krebs und Malaria, ob als Pflanzenhormone, Farbstoffe oder Geschmacks- und Duftstoffe – Substanzen aus der Klasse der Isoprenoide haben zahlreiche Einsatzmöglichkeiten. Sie werden zwar von vielen Organismen gebildet – vor allem Pflanzen und Bakterien, aber meist nur in geringen Mengen. Chemisch lassen sich die Substanzen wegen ihrer komplexen Struktur bislang kaum synthetisieren, für den industriellen Einsatz können sie daher nur aus Erdöl gewonnen werden.

Deshalb wollen die Forscher dieses Kooperationsprojekts noch genauer erforschen, wie Pflanzen die Bildung von Isoprenoiden steuern. Dazu analysieren sie den sogenannten Methylerythritol-4-phosphat-Weg („MEP pathway“). Neben dem Mevalonat-Weg (MVA) können Organismen auch über diesen erst kürzlich entdeckten Stoffwechselweg Isoprenoide herstellen. Der MEP-Weg benötigt weniger Energie und kommt mit Glukose und Glykogen als Kohlenstoffquelle aus. Über ihn könnten Isoprenoide deshalb effektiver produziert werden. Allerdings lässt er sich bislang kaum künstlich verändern.

Die Wissenschaftler werden deshalb Menge und Aktivität der am MEP-Weg beteiligten Enzyme messen und die Mengen der entstehenden Zwischenprodukte analysieren. Dadurch wollen sie herausfinden, an welchen Stellen sie am effektivsten in die Produktivität des Stoffwechselweges eingreifen können. Ihre Ergebnisse werden die Forscher dann in den Bakterien Escherichia coli und Clostridium ljungdahlii testen. Das Ziel ist, den MEP-Weg so zu steuern, dass die Mikroben mehr Isoprenoide produzieren.

Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME
Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Laufzeit: 2013 - 2015

LEGASCREEN – Frühtest für Legasthenie

Das Risiko für eine Legasthenie bereits im Kleinkindalter benennen können, um dann für entsprechende Frühförderung zu sorgen – das ist das Ziel des Projekts Legascreen. Bislang ist die zuverlässige Diagnose der Lese-Rechtschreib-Störung erst möglich, wenn bereits Kenntnisse im Lesen und Schreiben vorhanden, Kinder also schon in der Grundschule sind. Der neue Frühtest kombiniert zwei Verfahren, indem er genetische und neurologische Befunde einbezieht, die jeweils allein nicht aussagekräftig genug sind. Die zu Projektbeginn an drei und fünf Jahre alten Probanden erhobenen Ergebnisse werden mit denen der klassischen Legasthenie-Diagnostik verglichen, um zu sehen, ob die getroffene Risikoabschätzung zutreffend war.

Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI
Max-Planck-Institut für Kognitions- und Neurowissenschaften

Laufzeit: 2012 - 2015

Magnetresonanz-Tomografie in Echtzeit und ihre Anwendung in der kardialen Funktionsdiagnostik

Mit der Magnetresonanz-Tomografie (MRT) können Mediziner ins Innere des Körpers blicken, ohne diesen zu verletzen. Aber die Aufnahme einzelner Bilder dauert bislang mindestens einige Sekunden, so dass die Patienten möglichst ruhig liegen müssen. Auch für Untersuchungen schneller Bewegungen werden damit klare Grenzen gesetzt. Um beispielsweise das Herz abzubilden, synchronisieren Mediziner die MRT-Aufnahmen bisher mit dem Elektrokardiogramm (EKG), wobei Daten aus mehreren Herzschlägen zu einem Film zusammengesetzt werden. Die Patienten müssen dabei meist mehrfach den Atem anhalten.

Diese Einschränkungen sollen künftig wegfallen. Max-Planck-Wissenschaftlern ist es vor kurzem gelungen, fortlaufende Schnittbilder in Echtzeit aufnehmen. Diese MRT-Filme besitzen eine zeitliche Auflösung von 30 Bildern pro Sekunde und können damit die Bewegungen des Herzens und den Blutfluss durch Blutgefäße direkt sichtbar machen. So lassen sich beispielsweise die Pumpbewegungen des Herzmuskels oder der Blutfluss durch die Aorta messen – für jeden einzelnen Herzschlag und ohne dass der Patient die Luft anhalten muss.

Da sich die Echtzeit-MRT vor allem zur Untersuchung von Herz und Blutgefäßen eignet, wollen sie die Forscher gemeinsam mit Wissenschaftlern der Fraunhofer-Gesellschaft dafür nutzbar machen. Während die Max-Planck-Forscher die Messtechnik für die Echtzeit-MRT weiterentwickeln, konzentrieren sich die Wissenschaftler der Fraunhofer-Gesellschaft auf die Analyse und Bearbeitung der Bilddaten. Darüber hinaus arbeiten die Forscher mit einem der führenden Hersteller von MRT-Geräten zusammen.

Auf diese Weise wollen die Wissenschaftler erreichen, dass auch Patienten mittels MRT untersucht werden können, bei denen dies bisher nicht möglich war, zum Beispiel bei Herzrhythmusstörungen. Zum anderen sollen die neuen Methoden noch mehr Daten für die Analyse der individuellen Herzfunktion eines Patienten liefern.

Beteiligte Institute:
Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS
Biomedizinische NMR Forschungs GmbH am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie

Laufzeit: 2012 - 2015

 
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