11. Oktober 2007 - Pressemitteilung des Bundespräsidialamtes

Vier Teams zur 11. Preisverleihung nominiert

Zehn Jahre Zukunftspreis: Seit 1997 würdigt der Deutsche Zukunftspreis – der Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation – hervorragende Leistungen in Forschung und Entwicklung. Mehr als 40 Projekte von herausragender Bedeutung wurden bisher für den Deutschen Zukunftspreis nominiert, zehn Teams oder Einzelforscher wurden mit dieser hochrangigen Auszeichnung geehrt.

Am 6. Dezember 2007 übergibt Bundespräsident Horst Köhler den diesjährigen Preis. Vier Teams sind mit ihren Innovationen für die renommierte Auszeichnung nominiert. Sie zeigen beispielhaft, wie der Weg verläuft von der Identifizierung eines Problems zu seiner wissenschaftlich-technischen Lösung, wie aus einer Idee ein überzeugendes Produkt wird.

Wer von den Teams das Rennen machen wird, entscheidet am 6. Dezember eine hochkarätig besetzte Jury. In den Tagen vor der Entscheidung berichtet das ZDF in seinen Magazinsendungen über die Nominierungen. Die festliche Preisverleihung wird im ZDF am 6. Dezember um 22.15 Uhr ausgestrahlt. Auf PHOENIX ist eine Ausstrahlung der Gala ebenfalls für den 6. Dezember 2007 geplant.

Folgende Teams wurden für den Deutschen Zukunftspreis 2007 – Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation – nominiert:

Dr. rer. nat. Niels Fertig (Sprecher)
Dr. rer. nat. Andrea Brüggemann
Prof. Dr. med. Jan C. Behrends
Nanion Technologies GmbH, München
Albert-Ludwigs-Universität, Freiburg

Kleine Löcher, große Wirkung – Zellphysiologie im Chipformat

Dr. rer. nat. Niels Fertig, Dr. rer. nat. Andrea Brüggemann und Prof. Dr. med. Jan C. Behrends ist es gelungen, eine Technologie zu entwickeln, die eine Automatisierung des so genannten Patch-Clamping-Verfahrens ermöglicht. Dadurch wird die gezielte Suche nach Medikamenten deutlich vereinfacht, beschleunigt und zudem kostengünstiger und sicherer.

Beim Patch-Clamping, das bereits in den 1970er Jahren entwickelt wurde, kontaktiert man eine Zellmembran mit feinen Glaspipetten, um die elektrischen Ströme über die Membran zu messen. Die Methode ist heute Standard bei der Untersuchung von Ionenkanälen, d.h. von Proteinen, die Poren in der Zellmembran bilden und den Fluss von Ionen, elektrisch geladenen Teilchen, über die Membran steuern. Das ist von entscheidender Bedeutung für die Kommunikation zwischen Zellen. Sind Ionenkanäle defekt, kann das zur Entstehung vieler Krankheiten führen, zum Beispiel zu Herzrhythmusstörungen, Diabetes und neurologischen Problemen. Um solche Krankheiten zu behandeln, benutzt man häufig Medikamente, die auf einen Ionenkanal wirken.

Das herkömmliche Patch-Clamping dient dem Auffinden geeigneter Medikamentenwirkstoffe. Die bisher praktizierte Vorgehensweise ist jedoch sehr arbeitsintensiv: Man muss eine gläserne Mikropipette unter dem Mikroskop manipulieren, um jeweils nur an einer einzelnen Zelle messen zu können. Das erfordert enormes Fingerspitzengefühl. Zudem ist die Methode langsam, wodurch nur ein geringer Probendurchsatz möglich ist.

Durch die neue, vom Team um Niels Fertig entwickelte Technologie hingegen kann man das Patch-Clamping für ein massenhaftes Screening einsetzen – eine Art molekularer Rasterfahndung, bei der bis zu zwei Millionen potenzieller Wirkstoffe auf ihre Effektivität getestet werden.

Die entscheidende Innovation hinter dem Patch-Clamp-Automaten: Er nutzt Biochips, die mit modernen Mikrostrukturierungsmethoden aus Glas gefertigt werden. Die Biochips, die mit winzigen Perforationsstrukturen von nur etwa einem Mikrometer (Tausendstel Millimeter) Größe versehen sind, ersetzen die Glaspipetten. Beim Messvorgang wird die bislang übliche Vorgehensweise umgekehrt: Statt die Pipette an die Zelle heranzubewegen, positioniert man die Zelle durch Unterdruck aus einer Suspension heraus auf dem Chip. Das ermöglicht nicht nur eine Automatisierung, sondern auch eine Parallelisierung der Tests: Es lassen sich Messungen an vielen Zellen gleichzeitig durchführen.

Die Entwicklung der Technologie begann 1998 am Center for Nanoscience der Universität München. Aus den dortigen Forschungsarbeiten ging das 2002 gegründete Start-up-Unternehmen Nanion Technologies hervor. Einen ersten Prototyp des Patch-Clamp-Automaten stellte das Unternehmen im März 2003 vor. Inzwischen bietet Nanion Technologies zwei Produktfamilien an: einen sehr kompakten und einfach zu handhabenden Automaten für Einzelmessungen sowie ein großes roboterbasiertes Mehrkanal-System für industrielle Ansprüche mit hohem Messdurchsatz.

Die Biochip-Technologie zur Automatisierung des Patch-Clampings eröffnet der Pharmaforschung völlig neue Möglichkeiten und lässt für die Zukunft auf die Entwicklung etlicher neuer Medikamente gegen verschiedene Krankheiten hoffen.

Dr. Ing. Andreas Gutsch (Sprecher)
Dr. rer. nat. Gerhard Hörpel
Prof. Dr. Ing. Paul Roth
Evonik Industries AG
Universität Duisburg-Essen

Nanoschicht mit Megaleistung – Flexibler Keramikseparator ermöglicht Durchbruch bei großen Lithium-Ionen-Batterien

Mit einer Technologie für besonders leistungsfähige, langlebige und sichere Lithium-Ionen-Batterien haben Dr. Ing. Andreas Gutsch, Dr. rer. nat. Gerhard Hörpel und Prof. Dr. Ing. Paul Roth neue Energiespeicher für den Einsatz in Automobilen und größeren stationären Anwendungen nutzbar gemacht.

Lithium-Ionen-Batterien bieten chemisch die höchste Leistungsfähigkeit. Kleine wieder aufladbare Batterien dieses Typs sind als Energiespeicher für tragbare elektronische Geräte wie Handys, Notebooks und Camcorder bereits weit verbreitet. Auch in Akku-Werkzeugen wie Schraubern und Bohrern finden sie zunehmend Verwendung.

Wo aber Energiespeicher mit hoher Kapazität benötigt werden, konnten Lithium-Ionen-Batterien bislang nicht genutzt werden. Der Grund lag in ihrer mangelnden Sicherheit: Der Energieinhalt der großen Batterien ist so hoch, dass diese bei einer Beschädigung explodieren können.

Andreas Gutsch, Gerhard Hörpel und Paul Roth gelang es nun, diese Hürde in der Lithium-Ionen-Technologie zu überwinden. Die zentrale Innovation ist ein spezieller Separator. Er trennt in der Batterie Anode und Kathode, also Plus- und Minuspol, – und verhindert so einen Kurzschluss. Gleichzeitig lässt er elektrische Ladungsträger passieren und sorgt dadurch für einen Stromfluss in der Zelle.

Bei kleineren Lithium-Ionen-Batterien dient eine Kunststofffolie als Separator. Sie ist für Hochleistungsanwendungen aber nicht stabil genug. Der neuartige Separator dagegen besteht aus einem porösen keramischen Material, das aus Nanopartikeln aufgebaut ist. Er ist sehr temperaturstabil und unempfindlich gegen Beschädigungen.

Ursprünglich wurde die keramische Membran für die Wasserfiltration entwickelt. In einem gemeinsamen Projekt der Evonik Industries AG und dem Institut für Verbrennung und Gasdynamik der Universität Duisburg-Essen gelang es den Forschern, sie mit nur rund 20 Mikrometern so dünn zu machen, dass sie sich für den Einsatz in Batterien eignet.

Energieträger auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie können nun erstmals auch als Batterie in Hybridfahrzeugen genutzt werden – in Autos, in denen ein Verbrennungs- und ein Elektromotor genutzt werden. Damit lassen sich bis zu 50 Prozent an Kraftstoff und damit auch an Kohlendioxid einsparen. Die neuen Batterien ermöglichen auch bei elektrischem Antrieb eine hohe Reichweite.

Die Lithium-Ionen-Batterien können zudem die Nutzung von regenerativen Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie unterstützen, indem sie im Überschuss erzeugte elektrische Energie speichern. Bei netzgekoppelten Anlagen kann die Energie dann später wieder abgegeben und ins Stromnetz eingespeist werden. Das sorgt für verlässliche Stromversorgung – trotz der unregelmäßigen Stromerzeugung in Wind- und Photovoltaikanlagen.

Die Innovation erschließt einen großen Markt: Prognosen zufolge wird sich der Umsatz mit Materialien für Lithium-Ionen-Batterien bis 2015 auf 3,9 Milliarden Euro fast verdreifachen. Die Entwicklung bietet zudem die Chance, einen Teil des in den letzten Jahrzehnten nach Ostasien abgeflossenen Batterietechnologie-Know-hows nach Deutschland zurückzuholen.

Dr. rer. nat. Peter Kürz (Sprecher)
Winfried Kaiser
Dr. rer. nat. Martin Lowisch
Carl Zeiss SMT AG, Oberkochen

Revolutionäre Optik für die Herstellung des Computerchips der Zukunft

Dr. rer. nat. Peter Kürz, Winfried Kaiser und Dr. rer. nat. Martin Lowisch haben eine Technologie entwickelt, mit der die Grundlagen für eine weitere Miniaturisierung der Mikroelektronik geschaffen werden – und damit für eine weitere Leistungssteigerung von Computern und elektronischen Geräten in den nächsten Jahrzehnten.

Die EUV-Lithographie (EUV: extremes Ultraviolett) funktioniert prinzipiell ähnlich wie die Fotolithographie – das bis heute zur Fertigung von Mikrochips genutzte Verfahren. Man erzeugt damit die winzigen Strukturen von Transistoren und elektrischen Leiterbahnen. Als Rohmaterial dient eine dünne Siliziumscheibe, ein Wafer. Die Chipstrukturen sind auf einer Maske vorgezeichnet und werden von der Optik des Lithographiegeräts verkleinert auf den Wafer abgebildet. In weiteren Bearbeitungsschritten werden dann die dreidimensionalen Komponenten von Mikroprozessoren und Speicherchips generiert.

Je kürzer die Wellenlänge des Lichts, desto kleinere Strukturen lassen sich so erzeugen. Damit passen mehr Bausteine auf einen Computerchip, der dadurch leistungsfähiger wird. In den letzten Jahrzehnten gelang es, die Zahl der Transistoren auf den jeweils modernsten Chips alle zwei Jahre zu verdoppeln – wie es Intel-Mitbegründer Gordon Moore 1965 vorhergesagt hat (Moore’s Law). Damit verbunden war eine stetige Senkung der Kosten pro Funktionseinheit. Das erst ermöglichte den Siegeszug von PCs, Internet, Mobiltelefonen und digitaler Unterhaltungselektronik.

Heute setzt die Industrie Lithographiegeräte ein, die ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 193 Nanometer nutzen. Damit kann man Strukturen mit nur 45 Nanometern (Millionstel Millimetern) Größe abbilden – und über eine Milliarde Transistoren auf einen Chip packen. In einigen Jahren wird die herkömmliche Lithographie jedoch an Grenzen stoßen, die den Umstieg auf eine neue Technologie erforderlich machen.

Deren Basis haben die drei Forscher der Carl Zeiss SMT mit der Entwicklung einer Optik für die EUV-Technolgie gelegt. Diese nutzt weiche Röntgenstrahlung mit nur 13,5 Nanometer Wellenlänge. Da die Strahlung weder von Glas noch von Luft durchgelassen wird, muss man Spiegel verwenden, um die Chipstrukturen abzubilden – anders als bei der Fotolithographie, wo Linsen zum Einsatz kommen. Zudem muss die Chipfertigung im Hochvakuum erfolgen.

Bei der Herstellung der optischen Komponenten für die EUV-Lithographie sind enorme Anforderungen zu erfüllen. So müssen die Oberflächen der Spiegel, die aus rund 100 reflektierenden Schichten aufgebaut sind, mit extremer Präzision geschliffen sein: Die mittlere Abweichung jedes Spiegels von seiner Sollform beträgt maximal 0,2 Nanometer – weniger als der Durchmesser eines Atoms. Zudem müssen die Spiegel hochgenau in ihrer Position gehalten werden.

Ende 2005 präsentierte Carl Zeiss SMT einen ersten Prototyp der EUV-Optik, den die niederländische Firma ASML in eine Belichtungsmaschine einbaute. Die Serienreife der Technologie soll 2009 erreicht sein.

Die bei Carl Zeiss entwickelte EUV-Technologie bietet die Möglichkeit, die Packungsdichte auf Computerchips zu verzehnfachen, damit werden noch leistungsfähigere und preisgünstigere Computerchips möglich. Sie ebnen den Weg für neue Anwendungen der Mikroelektronik, die heute noch gar nicht absehbar sind.

Dr. rer. nat. Klaus Streubel (Sprecher)
Dr. rer. nat. Stefan Illek
Dr. rer. nat. Andreas Bräuer
Osram Opto Semiconductors GmbH, Regensburg
Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena

Licht aus Kristallen – Leuchtdioden erobern unseren Alltag

Durch Nutzung der Dünnfilmtechnologie und spezieller Gehäuse fanden Dr. rer. nat. Klaus Streubel und Dr. rer. nat. Stefan Illek eine Möglichkeit, besonders lichtstarke Leuchtdioden (LED: Licht emittierende Dioden) herzustellen. Dr. rer. nat. Andreas Bräuer vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik entwickelte eine Technologie, mit der man das Lichtprofil formen kann. Das erschließt den Leuchtdioden zahlreiche neue Einsatzmöglichkeiten.

LEDs sind aus drei Elementen aufgebaut: einem Halbleiterchip, in dem das Licht durch eine elektrische Spannung erzeugt wird, einem Gehäuse und einer Optik, die das Licht in die gewünschte Form bringt. Bei der Herstellung der LED-Chips durch die Dünnfilmtechnologie wird im Inneren der LED eine Metallschicht aufgebracht, die als Spiegel für das Licht dient. Der Metallfilm reflektiert das Licht und lenkt es zur Oberfläche des Halbleiterchips, wo es abgestrahlt wird.

Ein entscheidender Vorteil, der sich durch die Dünnfilmtechnologie ergibt: Die Oberfläche von LED-Chips lässt sich fast beliebig vergrößern, ohne dass Effizienz eingebüßt wird. Das ermöglicht es, mit großflächigen LEDs ausreichend große Lichtmengen zu erzeugen, um helle Leuchtkörper zu bauen. Darüber hinaus kann man problemlos viele Chips nebeneinander in einem gemeinsamen Gehäuse unterbringen. Während das Licht nur nach oben abgestrahlt wird, kann die entstehende Abwärme leicht nach unten abgeführt werden.

Bei Osram Opto Semiconductors wurden neuartige Hochleistungsgehäuse entwickelt, die genau auf die Vorteile der Dünnfilmchips zugeschnitten sind. Da sich Leuchtdioden für alle Farben, einschließlich dem unsichtbaren Infrarot, mit derselben Technologie herstellen lassen, kann man in den Gehäusen unterschiedlich farbiges Licht mühelos zu allen gewünschten Farbtönen oder zu weißem Licht mischen.

Die am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik entworfene Spezialoptik sammelt das aus der Chipoberfläche austretende Licht und bündelt es in die gewünschte Abstrahlrichtung. Ein weiteres optisches Element ermöglicht es, der Lichtintensität ein fast beliebiges Profil zu geben.

Die Summe der drei Innovationen – Chipherstellung, Gehäuse und Spezialoptik – revolutioniert die LED-Technologie. Erste Produkte kamen 2002 auf den Markt. Sie finden sich etwa in den Brems- und Rückscheinwerfern einiger Autos. In Zukunft könnten LEDs herkömmliche Lampen in Reklametafeln, Verkehrsampeln oder in Projektoren ersetzen. Auch Frontscheinwerfer von Fahrzeugen sollen bald aus Leuchtdioden gefertigt werden. In Innenräumen werden neue, ausgefallene Beleuchtungskonzepte realisierbar – etwa über den ganzen Raum verteilte Leuchtkörper, deren Farbe und Intensität sich beliebig verändern lässt, oder Fensterrahmen und Bilderrahmen, die gleichzeitig als Leuchtkörper dienen. Einen riesigen Markt verspricht die LED-Nutzung als Hintergrundbeleuchtung in Flachbildschirmen.

LEDs sind langlebig und verbrauchen vergleichsweise wenig Energie. Das macht sie ideal geeignet etwa für den Einsatz in Autos oder als Straßenbeleuchtung. Ersetzt man konventionelle Lampen durch Leuchtdioden, lassen sich große Mengen an Kohlendioxid einsparen. Die Effizienz der LEDs ist höher als bei Glühlampen und steht der Effizienz von Halogen- und Fluoreszenzlampen kaum noch nach.

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