Das Funktionsprinzip der mobilen Expansionskammer PINE basiert auf der Volumenausdehnung, die bereits aus der Aerosolkammer AIDA des KIT bekannt ist. Dabei werden die aus der Umgebungsluft entnommenen Aerosolpartikel innerhalb der Kammer zu Nebeltröpfchen aktiviert. Abhängig von der Anfangstemperatur der Kammer sowie der entnommenen Luft gefriert ein kleiner Teil der Tröpfchen und bildet größere Eiskristalle. Sowohl die kleineren Tröpfchen als auch die großen Eiskristalle werden mit einem optischen Partikelzähler gemessen, um die Konzentration der Eiskernpartikel (ice nucleating particles: INPs) sowie die Gesamtpartikelkonzentration zu bestimmen. PINE ist im Unterschied zu AIDA nicht auf INP-Messungen und Eisnukleationsforschung beschränkt und wird für Kammern variabler Größe und unterschiedlicher Bereiche von Wandtemperatur und Probenentnahmedruck funktionieren. Damit ist PINE das erste Instrument, das automatisch Langzeitreihen von INP-Konzentrationen mit hoher Empfindlichkeit, Zeitauflösung und in großem Temperaturbereich messen kann.

Das Institut für Meteorologie und Klimaforschung des KIT arbeitet gemeinsam mit der University of Leeds sowie der Bilfinger Noell GmbH an dieser Entwicklung. Bilfinger bringt eine hohe Kompetenz im Bereich der Kältetechnik mit und war bereits intensiv an der Entwicklung der neuen dynamischen Wolkenkammer AIDA-2 beteiligt.

Weiterführende Informationen: PDF Mobile Wolkenkammer PINE

Bild: Das Projektteam rund um PINE

Mit der Verfügbarkeit einer kostengünstigen Methode zur Früherkennung von Brustkrebs auf Basis medizinisch bildgebender Verfahren und damit einer sehr frühen Behandlungsmöglichkeit eröffnet sich die Chance, die Überlebensrate betroffener Frauen deutlich zu erhöhen. Ziel des Instituts für Datenverarbeitung und Elektronik (IPE) am KIT ist die Entwicklung eines bildgebenden 3D-Ultraschall-Tomographie-Systems (USCT), das schon sehr kleine Tumore mit einem Durchmesser von bis zu 5 mm erkennen kann und eine gezielte Biopsie ermöglicht.

Aktuell wird in enger Zusammenarbeit mit der Uniklinik Mannheim der Prototyp 3D USCT II in einer Testreihe mit ca. 200 Probandinnen evaluiert, um eine Aussagekraft des Verfahrens im Vergleich zu Mammographie und MRT zu verifizieren. In der Kooperation mit der Fa. Realcan ergibt sich einerseits die Chance, das USCT-System selbst in der nächsten Generation zur Marktreife weiterzuentwickeln. Andererseits können über das Vertriebsnetz des chinesischen Pharmakonzerns die direkten Kontakte zu einer Vielzahl von Kliniken unterstützen, die Validierung und Anerkennung der USCT-Screening Methode deutlich voranzutreiben. Geplant ist in einer multizentrischen klinischen Studie mehr als tausend Probandinnen parallel in mehreren Kliniken zu untersuchen und die Datensätze sowohl zur Validierung als auch zur generellen Akzeptanz und Etablierung der Screening Methode in der Medizin zu nutzen.

Bereits jetzt gilt die USCT Methode als innovative Alternative zur Mammographie. Sie ermöglicht eine frühzeitige und damit bessere Diagnose von Brustkrebs, ohne das mit der Mammographie verbundene Strahlenrisiko.

Bild: Funktionsprinzip des 3D-Ultraschall-Tomographie-Systems

Da bei Reklamationen oder Schadensansprüchen Markenhersteller oft in der schwierigen Nachweispflicht sind, dass es sich um eine Fälschung und nicht ihr Original handelt, entstehen ihnen erhebliche Kosten durch Produktpiraterie. Im TT-Projekt „ParMESan“ versucht das KIT-Team gemeinsam mit dem Industriepartner Polysecure durch Dotierung mit Fluoreszenzmarkern eine Art Fingerprint-Identifikation auf das Produkt aufzubringen, die für das bloße Auge unsichtbar ist. Erst beim Bestrahlen (Anregen) der entwickelten Marker, beispielsweise mit Laserlicht bestimmter Wellenlänge, erreicht man durch Upconversion-Fluoreszenz ein Leuchten in fluoreszierenden Farben. Dies kann je nach eingesetzten Materialien von Rot über Gelb und Grün bis hin zu Blau leuchten. Das entstehende Muster kann einwandfrei und fälschungssicher identifiziert werden und als praktikable und wirtschaftliche Lösung für die allgegenwärtige Produktpiraterie eingesetzt werden.

Im Kunststoff-Recyclingbereich können die Fluoreszenzmarker ebenfalls sehr gut eingesetzt werden. Einerseits um Materialien zu sortieren, die sehr ähnlich sind und durch andere Methoden nicht so einfach differenziert werden können – z.B. faserverstärkte Kunststoffe, die von gleichen, reinen Kunststoffen getrennt werden sollen. Andererseits können durch den Fingerabdruck eine Vielzahl von Kunststoffen auch in Form und Farbe voneinander getrennt werden, um sie spezifisch wieder verwenden zu können – z.B. Lebensmittelverpackungen (Trinkflaschen) werden der Getränkeindustrie wieder zugeführt. Dies wäre ein großer Beitrag zum Kreislaufwirtschaftskonzept. Aufgabe und Kompetenz des KIT in diesem Projekt ist es, neue Materialien zu identifizieren und entwickeln, diese in ihrer Quantenausbeute zu optimieren und einen Beitrag zu deren industrieller Produktion zu leisten.

Bild: Kunststoffidentifizierung mittels optischer Detektion

Bei der Air-Liquid-Interface (ALI) Exposition werden Zellkulturen Gasen oder Aerosolen ausgesetzt und im Anschluss deren biologische Wirkung untersucht. Die ALI-Technik hat entscheidende Vorteile, da die Lungenzellen unter physiologischen Bedingungen behandelt werden und die niedrige Partikeldosis gemessen wird.
Im Projekt KALIBIO wurde ein automatisiertes Messgerät zur ALI-Exposition von Bioassays entwickelt und am Markt eingeführt. Basierend auf Kampagnenerfahrungen wurden Safe-by-Design-Lösungen für den Betrieb und die Experimente entwickelt und implementiert. Das Expositionssystem wird mittlerweile von Forschungsinstituten in München, Rostock, Oslo (Norwegen) und Bilthoven (Niederlande) eingesetzt um die Toxizität von Nanopartikeln aus Industrie und Verbrennung zu bewerten.

Weiterführende Informationen: PDF Vitrocell

Publikationen:

• Metabolic Profiling as Well as Stable Isotope Assisted Metabolic and Proteomic Analysis of RAW 264.7 Macrophages Exposed to Ship Engine Aerosol Emissions: Different Effects of Heavy Fuel Oil and Refined Diesel Fuel.
• Toxicity testing of combustion aerosols at the air-liquid interface with a self-contained and easy-to-use exposure system.
• Particulate matter from both heavy fuel oil and diesel fuel shipping emissions show strong biological effects on human lung cells at realistic and comparable in vitro exposure conditions.

Das entwickelte Luftreinigungssystem macht viren- und bakterienbeladene Aerosole in Innenräumen, wie Klassenzimmern, Praxen und Restaurants, mithilfe von Wärme und UV inaktiv. Aus der ersten Idee im Frühjahr 2020 wurden in kürzester Zeit mehrere Prototypen des Vireninaktivators aufgebaut und validiert. Zur Validierung des Aerobusters wurde auch der Kontakt zu bekannten/führenden Virologen gesucht. Diese haben das Vorhaben bestätigt, allerdings gab es aufgrund von äußeren Einflüssen letztlich keinen Markterfolg.

Weiterführende Informationen: PDF Aerobuster

Millionen Bestandsgebäude sind ohne ausreichenden Erdbebenschutz, in Deutschland allein über 70 Prozent. Die konventionelle Nachrüstung ist oft teuer und invasiv.
Forschende des KIT entwickelten zusammen mit einem Hersteller für technische Gewebe eine textile Verstärkung aus Hochleistungsfasern als Gebäudeummantelung, die das Wandversagen durch eine gleichmäßige Kraftverteilung verhindert. Bei Erschütterungen hält sie das Gebäude zusammen und wendet Einstürze ab – schnell, unsichtbar und kostengünstig. Über den Industriepartner wird das System weltweit vertrieben.

Weiterführende Informationen: PDF Erdbebentapete

Ein realer Mittelklasse-Pkw wurde mithilfe der im Fahrzeug vorhandenen Netzwerkschnittstellen zu einem Fahrsimulator umgebaut, Lenkrad und andere Bedieninstrumente konnten wie in realen Fahrsituationen genutzt werden. Durch Force-Feedback-Technik und VR-Projektionen erlebte der Fahrende sein Fahrverhalten, Straßenzustände und Umgebungen in Echtzeit. Ein integriertes
Tutor-System analysierte das Fahrverhalten, gab Hinweise und unterstützte den individuellen Lernprozess.

Weiterführende Informationen: PDF DriveSim

Wie es gelingen könnte, einen Eiskaffee ohne Aromenverlust direkt aus einem Automaten zu beziehen, untersuchte das KIT mit einem Automatenhersteller. Mithilfe eines mikroverfahrenstechnischen Kühlers aus dem KIT gelang die sofortige Abkühlung des Kaffees im Durchfluss, wodurch der Aromaverlust deutlich reduziert wurde. Die Herstellung eines leckeren, aromatischen kalten Kaffees funktioniert unter Laborbedingungen hervorragend. Zum marktreifen Automaten kam es aus bautechnischen Gründen nicht, da der für die Wärmeabfuhr notwendige Kompressor nicht in kleinerer Version verfügbar war und kein weiterer Entwicklungspartner gefunden wurde.

Weiterführende Informationen: PDF Eiskaffee

Besonders im öffentlichen Raum sind robuste, wartungsarme Systeme wichtig. Eine besondere Schaltungstopologie aus dem KIT versprach deutlich sparsamere, ausfallsicherere und langlebigere LED-Leuchten. Die Ausfallsicherheit dieser Leuchten wird erhöht, da bei Zerstörung einer oder mehrerer LEDs nicht gleich das gesamte Modul ausfällt. Nach der Entwicklung eines Prototyps wurde in der Gemeinde Maxdorf ein Testfeld mit den neuen LED-Straßenlaternen eröffnet. Trotz des Innovationspotenzials blieb der Markterfolg aus, da viele Kommunen aus Kostengründen weiterhin auf bestehende, noch funktionstüchtige Leuchten oder kostengünstigere LED setzen.

Weiterführende Informationen: PDF Sparsame Leuchten

Beide Verfahren haben zum Ziel, Farbund auch Gerbstoffe aus den Beerenschalen herauszulösen. Ein alternatives Verfahren des KIT zur Aufschlüsselung von Traubenmaische führte
zu einer verbesserten Extraktion dieser Inhaltsstoffe: die Elektroporation – also das gezielte Öffnen biologischer Zellmembranen durch gepulste elektrische Felder. Durch diese Technik konnten insbesondere Inhaltsstoffe aus der Beerenhaut schonend und effizient extrahiert werden. Neben der verbesserten Extraktion für einen ausgeprägten Rotweincharakter konnte auf Erhitzung und bei Weißwein auf Enzymbehandlungen und lange Maischestandzeiten verzichtet werden. Der Aufschluss der Trauben wurde erfolgreich nachgewiesen, aber scheiterte zum damaligen Zeitpunkt leider an der Skepsis der Winzer.

Weiterführende Informationen: PDF Weinbeeren

In Hochleistungsanwendungen stoßen herkömmliche Stahlfedern wegen ihres Gewichts an Grenzen. Eine leichtere und leistungsfähigere Alternative bieten Faserverbundfedern, beispielsweise
aus Carbon- oder Glasfaserverstärktem Kunststoff (CFK, GFK). Forschende am KIT haben leistungsfähigere XFK-Federn entwickelt, die über den Belastungsquerschnitt eine optimale Auslastung der Fasern erzielen. X steht dabei für die Faservariable, bei der sich die Faserart, die Faserkonzentration und -ausrichtung innerhalb des Verbunds variieren lassen, um Materialeigenschaften optimal auszunutzen. Dies ermöglichte eine gleichmäßigere Spannungsverteilung und eine effizientere Belastbarkeit der Feder. Zusammen mit einem Unternehmen aus der Stahlfederindustrie wurden die neuartigen Federn für die Anwendung in Sektionaltoren hergestellt und getestet.

Weiterführende Informationen: PDF Federsysteme

Die Photovoltaik schafft die Grundlage, dass inzwischen jedermann mit Solarzellen seine eigene erneuerbare Energie produzieren kann. Um diesen Strom sicher Zuhause zu speichern, haben Forschende des KIT gemeinsam mit der RCT Power GmbH ein Batterie-Management-System (BMS) für stationäre Heimspeicher entwickelt. Im Transferprojekt wurde ein erprobtes
BMS des KIT so adaptiert, dass es wirtschaftlich in stationären Heimspeichern eingesetzt und betrieben werden kann. Dank der Erfahrung des KIT im Bereich mobiler Lithium-Ionen-Speicher konnte in kurzer Zeit ein zuverlässiges System realisiert werden.

Weiterführende Informationen: PDF Batterie-Management

Bei den Tests spielte die Isolation der Virus-RNA aus Rachen-Nasen-Abstrichen der Patienten eine Schlüsselrolle bei der Laboranalytik. Eine Technologie des KIT zur Handhabung
magnetischer Mikropartikel lieferte hier die Lösung, um die RNA aus Proben effizient, automatisiert und zuverlässig herauszulösen. Die Technologie findet seitdem bei den kommerziellen Laborsystemen der PerkinElmer chemagen Technologie GmbH vielfachen Einsatz.

Weiterführende Informationen: PDF Magnetseparation

Neben den entstehenden toxischen Emissionen führen sie auch zu Kesselkorrosion in den Verbrennungsanlagen. Am KIT wurden mehrere Methoden entwickelt, um den Verbrennungsprozess und die Schadstoffbildung zu reduzieren. Neben der intensiven Kontrolle und Regelung des Ausbrands in der Brennkammer entwickelten die Forschenden spezielle Kunststoff-Füllstoffe aus Polypropylen (PP), welche die Dioxine aus dem Rauchgas aufnehmen. In Kombination mit feinen Kohlenstoffpartikeln haben die Füllstoffe eine starke Bindung und werden selbst bei Temperaturschwankungen
nicht wieder freigesetzt. Das Verfahren wird von Götaverken Miljö AB vertrieben und in mehreren Anlagen erfolgreich eingesetzt.

Weiterführende Informationen: PDF Rauchgasreinigung

Sie dienen dem Transport von Öl, Gas und zahlreichen anderen Stoffen über weite Strecken und leisten damit einen wesentlichen Beitrag zur Energieversorgung und zum wirtschaftlichen
Fortschritt. Um sicherheitsrelevante Schäden wie Korrosion oder Risse frühzeitig zu erkennen, ist die zerstörungsfreie Prüfung dieser Leitungen von großer Bedeutung. Eine am KIT entwickelte Methode hierfür ist die Ultraschallprüfung, die eine exakte Bewertung des Zustands ermöglicht. Diese autonomen Systeme, die mit dem Öl oder Gas durch die Pipeline gepumpt werden, untersuchen in Echtzeit mittels magnetischer und Ultraschall-Sensoren nach Defekten in Form von Korrosion und Rissen. Über den Industriepartner wird das System weltweit vertrieben.

Weiterführende Informationen: PDF Inspektionsroboter