Im BMBF-Forschungsprojekt »nanoSPECS« entwickeln Forscher der TU Dresden und des Fraunhofer FEP Grundlagen für ein Spektrometer auf Basis von Nano-Antennen. Das Spektrometer könnte durch seine winzige Größe perspektivisch in Mobiltelefone integriert werden. Dünnschicht-Herstellungsverfahren machen den Sensor zudem für den Massenmarkt erschwinglich.

Spektrometer im Miniaturformat sind vielseitig einsetzbar. Schnell lässt sich mit ihnen beispielsweise der Reife- und Frischegrad von Obst oder Fleisch im Supermarkt überprüfen: Einmal das Smartphone angehalten und schon kennt man den Zuckergehalt des Obstes. Zuhause könnte man in Zukunft berührungslos durch Analyse der Atemluft den Blutzuckerspiegel von Zuckerkranken ermitteln. Auf Flughäfen oder in anderen sicherheitsrelevanten Bereichen könnten Miniaturspektrometer vor giftigen Gasen oder Flüssigkeiten warnen.

Handelsübliche Spektrometer sind für den Einbau in Elektronikartikel wie Smartphones bislang zu groß und stoßen durch ihren prinzipiellen Aufbau an Grenzen der machbaren Miniaturisierung. Wissenschaftler des Institutes für Angewandte Photophysik (IAPP) der TU Dresden und des Fraunhofer-Institutes für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP setzen im BMBF-Projekt »nanoSPECS« zu einem Innovationssprung an. Mit einem völlig neuen Konzept, welches auf Nano-Antennen beruht, entwickeln die Forscher ein Mini-Spektrometer, das ohne bewegliche Teile auskommt, eine hohe Empfindlichkeit und Auflösung besitzt sowie das gesamte Spektrum von UV bis zum nahen Infrarotbereich detektieren kann.

Der Ansatz der Dresdner Forscher basiert auf Nano-Drähten, die wie kleine Antennen das eintreffende Signal verstärken und an den Detektor weiterleiten. Je nach Länge, Durchmesser, Material und gegenseitigem Abstand zueinander verstärken die Nano-Drähte das eintreffende Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge. Man kann nun ein Antennen-Array aus Nano-Drähten unterschiedlicher Abmessungen, das heißt mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, herstellen und somit ein breites elektromagnetisches Spektrum aufnehmen. Die Antennen wirken gleichzeitig als optischer Verstärker, Konzentrator und optisches Filter. Da die optisch-sensitive Antennen-Schicht mehrere Bauteile in einem vereint und direkt auf einem CCD/CMOS-Chip integriert werden soll, wird das Spektrometer extrem klein, kaum größer als der Chip, und findet damit in jedem Mobiltelefon Platz.

Das IAPP hat das Verfahren, Gold- oder Silber-Nanostäbchen kontrolliert in den Poren einer Aluminiumoxid-Matrix elektrochemisch aufwachsen zu lassen, bereits im Labormaßstab entwickelt und seine Variabilität und Funktionalität nachgewiesen. Hauptziel des im August 2013 begonnenen dreijährigen Projektes »nanoSPECS« ist die Aufskalierung und die Herstellung eines Gradienten-Antennen-Arrays auf 8″-Wafern. Eine der Herausforderungen besteht darin, eine Aluminiumschicht als Vorstufe für die Aluminiumoxid-Matrix besonders präzise, reproduzierbar und homogen in Schichtdicke und ihrer mikrokristallinen Struktur herzustellen. Das Fraunhofer FEP wird bei diesem Schritt sein langjähriges Know-how in der Präzisionsbeschichtung einbringen und mit dem Magnetron-Sputtern ein Dünnschichtverfahren zur Verfügung stellen, welches eine präzise und wirtschaftliche Herstellung des Mini-Spektrometers auch für den Massenmarkt ermöglicht.

Was auf dem Bild wie ein Fakirteppich aussieht, sind Gold-Nanoantennen von wenigen 100 nm Länge und 30 nm Durchmesser. Diese Winzlinge sind sensitiv auf das elektromagnetische Spektrum im sichtbaren Wellenlängenbereich und können durch Plasmonenresonanzen bestimmte Wellenlängen filtern, konzentrieren und verstärken. Sie bilden die Basis für die moderne optische Sensorik wie sie im Projekt nanoSPECS angegangen wird.

Das Projekt »nanoSPECS« wird gefördert durch das Programm »Validierung des Innovationspotenzials wissenschaftlicher Forschung – VIP« des BMBF, Förderkennzeichen: 03V0763)

Weitere Informationen:
http://www.fep.fraunhofer.de

Phosphor ist ein wichtiger Pflanzennährstoff, die mineralischen Reserven jedoch begrenzt. Das von der EU geförderte Forschungsprojekt PhosFarm will daher auch organisch gebundenen Phosphor aus landwirtschaftlichen Reststoffen als Quelle für Phosphatdünger erschließen: Mithilfe von immobilisierten Enzymen sollen organische Phosphorverbindungen abgespalten und als Phosphat zurückgewonnen werden.

Phosphor ist ein elementarer Pflanzennährstoff für die Landwirtschaft. Um eine wachsende Weltbevölkerung mit Nahrungsmitteln sowie biobasierten Kraft- und Rohstoffen zu versorgen, wird der Bedarf an Düngemitteln weiter steigen. Im Jahr 2008 wurden allein in der EU ca. 1,4 Millionen Tonnen Phosphor für synthetisch hergestellte Phosphatdünger verbraucht. Dabei sind die Vorkommen an Rohphosphaten endlich und auf nur wenige Länder, darunter China, Marokko, Tunesien und die USA, begrenzt. Dies macht andere Länder abhängig von Importen. Neue Technologien, um gelöstes anorganisches Phosphat aus kommunalem Abwasser als Düngesalze zurückzugewinnen, stehen bereits zur Verfügung. Eine weitere, bisher weitgehend ungenutzte Phosphatquelle stellen Reststoffe wie Gülle aus der Tierhaltung oder Gärreste aus Biogasanlagen dar. Während in der wässrigen Flüssigphase dieser Reststoffe Phosphor – wie im Abwasser – als Phosphat gelöst ist, liegt Phosphor im Feststoffanteil dieser Reststoffe gebunden in biochemischen Molekülen wie Phospholipiden, Nukleotiden und Nukleinsäuren vor.
Landwirtschaftliche Reststoffe stellen ein enormes Reservoir für die Phosphorrückgewinnung dar: So fallen in der EU jährlich mehr als 1800 Millionen Tonnen Gülle an und das Aufkommen an Gärresten aus Biogasanlagen wächst. Vor allem Gülle aus der Geflügel- und Schweinezucht enthält rund die Hälfte des Gesamtphosphors in organisch gebundener Form. Im Projekt PhosFarm sollen auch diese organischen Reststoffe als Phosphatquelle erschlossen werden. Hierzu will das Projektkonsortium unter der Koordination des Stuttgarter Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB einen nachhaltigen Prozess entwickeln und in Form eines integrierten Anlagenkonzepts realisieren, in dem – vor allem durch eine enzymatische Mobilisierung des organisch gebundenen Phosphors – bis zu 90 Prozent des Gesamtphosphors zurückgewonnen werden.
Für diesen neuen Ansatz sollen Phosphat hydrolysierende Enzyme an geeigneten Trägern immobilisiert werden. »Wir konnten bereits in vorausgehenden Versuchen am Fraunhofer IGB zeigen, dass diese Enzyme in der Lage sind, anorganisches Phosphat aus Modellverbindungen abzuspalten«, erläutert Jennifer Bilbao, die das Projekt am IGB leitet. »Nach Abtrennung der festen Phase kann das gelöste Phosphat aus der flüssigen Fraktion als Magnesiumammoniumphosphat oder Calciumphosphat gefällt werden. Diese Salze sind gut pflanzenverfügbar und direkt als Dünger einsetzbar«, erklärt Bilbao.
Die verbleibende entwässerte feste Phase wird mit einem energieeffizienten Trocknungsprozess, der mit überhitztem Wasserdampf anstelle heißer Luft arbeitet, getrocknet und als organisches Substrat für die Verbesserung der Bodenfruchtbarkeit aufgearbeitet. Je nach Bedarf, das heißt abgestimmt auf die Pflanzenart und Bodenbeschaffenheit, können diese Bodenverbesserer mit den zurückgewonnenen mineralischen Düngesalzen zu einem Substrat mit definiertem N/P-Verhältnis vermischt werden.
»Mit den gewonnenen mineralischen Phosphatdüngern und den organischen Bodenverbesserern können synthetische Phosphatdünger eingespart und eine Überdüngung durch das direkte Ausbringen von Gülle vermieden werden«, beschreibt Bilbao die Vorteile des neuen Konzepts. »Durch den Erlös aus dem Verkauf der Produkte verbinden wir zudem die wirtschaftliche Wertschöpfung aus einem Reststoff mit einem umweltfreundlichen Kreislaufprozess für Phosphor.«
Seit September 2013 wird das Projekt »PhosFarm – Process for sustainable phosphorus recovery from agricultural residues by enzymatic process to enable a service business for the benefit of European farm community« im 7. Forschungsrahmenprogramm der EU gefördert (Grant Agreement No. 605771). Das Projektkonsortium umfasst neben dem Fraunhofer IGB als weitere Forschungspartner VITO (Belgien) und die Schwedische Universität für Agrarwissenschaft (SLU, Schweden) sowie die Firmen Chiral Vision (Niederlande), Geltz Umwelttechnologie GmbH (Deutschland), Heckmann Maschinenbau und Verfahrenstechnik GmbH (Deutschland), Purines Almazan, S.L. (Spanien), Agroenergie Hohenlohe GmbH (Deutschland), ASB Grünland Helmut Aurenz GmbH (Deutschland) und Servimed Almazan, S.L. (Spanien).

http://www.igb.fraunhofer.de/de/presse-medien/presseinformationen/2013/phosfarm-landwirtschaftliche-phosphorrueckgewinnung-.html

TU Berlin- Ein Beitrag zur Verbesserung der Gewässerqualität und des Stadtklimas

Mit dem Verbundforschungsprojekt KURAS soll am Fallbeispiel Berlin gezeigt werden, wie durch intelligent gekoppeltes Regenwasser- und Abwassermanagement die zukünftige Abwasserentsorgung, die Gewässerqualität, das Stadtklima und die Lebensqualität in der Stadt verbessert werden kann. Das Projekt hat ein Volumen von 4,5 Millionen Euro und wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Die Projektkoordination übernehmen die TU Berlin und das Kompetenzzentrum Wasser Berlin. Das Projekt startete im Oktober 2013.

Die in der Berliner Innenstadt über 140 Jahre gewachsene Mischwasser-Kanalisation garantiert einen hohen Hygienestandard und schützt die Stadt vor Überschwemmungen. Bei heftigen Regenfällen kommt sie aber immer wieder an ihre Kapazitätsgrenzen mit der Folge, dass mit Regen verdünntes Schmutzwasser direkt in die Gewässer abgeleitet werden muss und deren Qualität sich dadurch verschlechtert. Sinkender Trinkwasserverbrauch und seltene Regenfälle sorgen hingegen dafür, dass Kanäle ungespült bleiben und es zu Störungen in Abwasserpumpwerken, Verstopfungen und Korrosion in Kanälen und Geruchsbelästigungen aus Gullys kommt.

Vor dem Hintergrund globaler Veränderungen durch den Klimawandel müssen nachhaltige Planungs- und Baukonzepte entwickelt werden, die den Anforderungen kommender Generationen gerecht werden.
Die KURAS-Strategie heißt intelligente Netzbewirtschaftung: Viele kleine im Stadtgebiet verteilte dezentrale Maßnahmen der gebäude- bzw. grundstücksbezogenen Regenwasserbewirtschaftung wie Gründächer, Versickerungsmulden, Teiche und auch klassische Regenspeicher sollen dafür sorgen, dass die Aufnahmekapazität der Kanalisation seltener an ihre Grenzen stößt. Zudem können solche dezentralen Lösungen die städtische Wohn- und Freiraumqualität verbessern: Sie bringen Kühlung im Sommer und neue Grün- und Wasserflächen für Mensch und Natur.

Berlin verfügt bereits heute über ein Pumpwerksleitsystem, um das Abwasser optimal auf sechs Klärwerke zu verteilen. Die Innovation des Projekts KURAS liegt darin, das Zusammenspiel neuer, dezentraler Lösungen mit der bestehenden Abwasserentsorgung zu untersuchen, zu bewerten und mit weiteren Themen zu vernetzen.

Das Projekt KURAS soll vor allem Antworten auf zwei Fragen liefern: Welche Konsequenzen hat die Bewirtschaftung des Abwasserkanalnetzes vor dem Hintergrund immer länger werdender Perioden von Unterlast, aber auch der gleichzeitigen Verschärfung von Überlastphasen bei Starkregen? Und wie kann in dichten Siedlungsräumen ein Umgang mit Regenwasser organisiert werden, der die Abwasserbewirtschaftung unterstützt und den Nutzen für Bewohner und Umwelt optimiert?

Ziele von KURAS:
– Für Abwasserentsorger und kommunale Kanalnetze, die wie Berlin ein geringes Gefälle aufweisen, werden Handlungsoptionen zur Anpassung der Abwasserinfrastruktur an den Klimawandel und deren Folgen erarbeitet. Diese sollen Empfehlungen liefern für Maßnahmen, mit denen diese Infrastruktur vor dem Hintergrund der erwarteten Veränderungen langfristig und zukunftsorientiert weiter betrieben, angepasst und ausgebaut werden kann.
– Parallel dazu sollen verschiedene Möglichkeiten der Vernetzung von Konzepten der dezentralen Regenwasserbewirtschaftung entwickelt und hinsichtlich ihrer Effekte auf Umwelt, Stadtklima, Bauphysik und Wirtschaftlichkeit verglichen werden. So werden bereits realisierte Berliner Modellvorhaben detailliert ausgewertet und Erkenntnisse und Empfehlungen für künftige Projekte dokumentiert.
– Betreiber von Abwasserinfrastrukturen sollen mit Prognosen, die durch Modellierung und Simulation des bestehenden Abwassersystems erarbeitet werden, Unterstützung dabei erhalten, das Kanalnetz trotz vermehrter Extremwettersituationen (Zunahme langer Trockenperioden, aber auch von Starkregen) zukunftssicher zu bewirtschaften.
– Mit diesen Prognosemodellen sollen die Effekte der Maßnahmenvorschläge zur Vermeidung von Problemen im Kanalnetz nach langen Trockenwetterphasen sowie von Mischwassereinleitungen in Gewässer bei Starkregen überprüft werden.
– Entwicklung von Vorschlägen für zukunftsfähige Finanzierungsmodelle und ordnungsrechtliche Maßnahmen zur Förderung dezentraler Regenwasserbewirtschaftungsmaßnahmen.
– Simulation vernetzter Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung und des Abwassermanagements in realen Berliner Modellgebieten.

Stefanie Terp
Stabsstelle Presse,
Öffentlichkeitsarbeit und Alumni
Technische Universität Berlin

In Frankreich wird das meiste Trinkwasser aus dem Grundwasser gewonnen, dessen Nitratbelastung auf lange Sicht zu einem Problem werden könnte. Für seine Studie nutzte das INRA (Institut für Agrarforschung) ein einzigartiges Testgelände: das Wassereinzugsgebiet in Bruyeres-et-Montbérault (Departement Aisne). Dieses Plateau umfasst 187 Hektar, auf dem 137 Feldkulturen (Weizen, Zuckerrüben, Raps, Erbsen etc.) angebaut werden. Am 4. Oktober 2013 veröffentlichte das INRA die wissenschaftlichen und technischen Ergebnisse seines 24 Jahre andauernden Experiments in diesem Gebiet.

1989 starteten das INRA, die Landwirte, der Gemeinderat und die Landwirtschaftskammer von Aisne ein partnerschaftliches Experiment, um den Nitratgehalt im Wassereinzugsgebiet zu reduzieren. Auf den einzelnen Parzellen wurden dafür bewährte landwirtschaftliche Methoden überprüft, insbesondere die Stickstoffdüngung. So wurde beispielsweise mit Hilfe der Simulationssoftware ″Azobil″ die zur Düngung verwendete Stickstoffmenge bei verschiedenen Kulturen getestet. Untersucht wurde auch der Anbau von stickstoffbindenden Zwischenfrüchten. Es wurde auch empfohlen, die Ausfallpflanzen auf den Feldern zu belassen und das Stroh unterzupflügen.

Die Ergebnisse zeigen, dass sich mit den bewährten landwirtschaftlichen Methoden die Stickstoff-Belastung verringern lässt. Heute liegt der Nitratgehalt bei der Wassergewinnung bei einem stabilen Wert von etwa 50 mg pro Liter (Grenzwert laut Trinkwasserverordnung). Im Vergleich dazu lag dieser Wert 1990 noch bei über 60 mg pro Liter.

Die Daten bestätigen ebenfalls eine starke zeitliche Trägheit. Diese ist darauf zurückzuführen, dass das Nitrat mehrere Jahrzehnte benötigt, um ins Grundwasser zu gelangen. Aus diesem Grund gehen die Wissenschaftler davon aus, dass der Nitratgehalt in den kommenden 30 Jahren weiter sinken wird.

Das Experiment zeigt auch deutlich, dass sich die Nitratbelastung nur durch eine nachhaltige Zusammenarbeit zwischen den Gebietskörperschaften, Landwirten, Transfer- und Forschungseinrichtungen beherrschen lässt.

Quelle:
Pressemitteilung des INRA
http://presse.inra.fr/Ressources/Communiques-de-presse/pollution_nitrique_Bruyer…
Marie de Chalup Wissenschaftliche Abteilung
Wissenschaftliche Abteilung, Französische Botschaft in der Bundesrepublik Deutschland

Redakteur:
Clément Guyot, clement.guyot@diplomatie.gouv.fr