Naturwissenschaften

Ein Bioreaktor ist ein Behälter, in dem sich Mikroorganismen, Zellen oder Bakterien unter präzise kontrollierten Bedingungen besonders gut vermehren können. Sie werden in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie verwendet, um Hefen, Bakterien, Wirkstoffe für Medikamente wie Insulin oder Penizillin oder auch Biogas zu produzieren. Es gibt sie deshalb auch in sehr unterschiedlichen Größen.

Der PriMus-Bioreactor ist ein sehr kleiner Versuchsreaktor mit einem Volumen von weniger als 100 ml. In diesem sogenannten Schüttelkolben-Maßstab war eine detaillierte Prozessüberwachung und -steuerung bisher nur in sehr kostspieligen Anlagen möglich, so dass Tests zwischen Kleinstansätzen und dem Litermaßstab oftmals nur anhand der Reaktionsergebnisse bewertet wurden. Der neue Reaktor aus dem 3D-Drucker soll die Prozesslücke schließen und Tests in diesem Maßstab erheblich günstiger machen.

In dem Projekt wird die Expertise beider Projektpartner zusammengeführt. Das KSI Meinsberg entwickelt Dickschichtsensoren, mit denen elektrochemische und optische Messwerte im Reaktor erhoben werden können. Die im Siebdruckverfahren hergestellten Sensoren müssen wasserdicht und reproduzierbar in die sehr kleinen Reaktoren eingebracht werden. Die Professur für Bioverfahrenstechnik an der TU Dresden steuert ihre Erfahrung im Prototypenbau sowie in der Erfassung, Verarbeitung und Visualisierung von Messwerten bei.

Projektleitung:
KSI Meinsberg: Dr. Janek Weißpflog, janek.weisspflog[at]ksi-meinsberg.de, +49 3432 7608-104
TU Dresden: Dr. Nandor Ziebart, nandor.ziebart[at]tu-dresden.de, +49 351 463-34337

Ziel des Projekts VoltMuSeM ist die Entwicklung einer mobilen Sensorik, die in der Lage ist, gesundheitsschädliche Schwermetallionen wie Blei, Cadmium, Zink, Eisen, Mangan und Arsen simultan und präzise in Oberflächengewässern zu messen. Ein mobiler Nachweis ermöglicht die schnelle und genaue Identifikation von Kontaminationsquellen. Dieser Ansatz minimiert Verzögerungen und chemische Veränderungen in Proben während des Transports und ist kosteneffizienter als herkömmliche Methoden wie ICP-OES, ICP-MS oder AAS.

Die anodische Stripping-Voltammetrie bietet hierbei eine vielversprechende Lösung. Diese elektrochemische Methode zur Bestimmung von Metallionenkonzentrationen in komplexen Matrizes nutzt verschiedene Potentialfenster zur gleichzeitigen Analyse mehrerer Elemente. Herausforderungen wie Signalüberlagerungen und konzentrationsabhängige Querempfindlichkeiten müssen berücksichtigt werden. Multivariate Auswertestrategien unterstützen dabei die präzise Detektion der Schwermetallionen.

Geplant sind umfassende Untersuchungen zur Optimierung der elektrochemischen Bedingungen, einschließlich der Depositionspotentiale und Stripping-Zeiten. Das Ziel ist die Entwicklung einer innovativen Methode zur selektiven Wasseranalytik. Diese Entwicklungen werden die Umweltüberwachung erheblich verbessern und eine effiziente und genaue Vor-Ort-Detektion ermöglichen.

Kontakt:
Dr. Janek Weißpflog
janek.weisspflog[at]ksi-meinsberg.de
+49 3432 7608-104

Der Fokus des Projekts liegt auf der nachhaltigen Entwicklung und Anwendung von digitalen Sensorsystemen einschließlich der Bewertung wesentlicher Aspekte ihrer Nachhaltigkeit. Zum einen wird die Wertschöpfungskette von digitalen Sensorsystemen untersucht. Ziel ist es hier, am Beispiel für das Anwendungsfeld Smart Farming einen nachhaltigen Sensor zu entwickeln und diesen auf Basis des gesamten Lebenszyklus im Hinblick auf Entwicklung, Materialeinsatz, Verwendung, Betreiberaufwand und Lebensende zu bewerten. Der zweite Teil des Projekts bezieht sich auf die Anwendung digitaler Sensorsysteme in Wertschöpfungsketten und dessen Einfluss auf die ökologische, soziale und ökonomische Nachhaltigkeit. Digitale Sensorsysteme bieten Lösungen an, um notwendige Messungen ad hoc durchzuführen. Gleichzeitig bietet diese Entwicklung eine Spezialisierung für Sachsen, welche das Projekt durch die Förderung neuer digitaler Kompetenzen auch bei der Gestaltung attraktiver Arbeitsplätze unterstützt. 

Projektleitung:
Jun.-Prof. Dr. Samanthi Dijkstra-Silva
sustainability[at]​tu-dresden.de
Tel +49 351 463 34313

Eine effiziente Allokation von Ressourcen wird durch globale Megatrends wie Konnektivität, Neo-Ökologie und Mobilität in Zukunft noch entscheidender für die Lösung zentraler Herausforderungen unserer Zeit. In einer immer komplexeren und von vielschichtigen Wechselwirkungen geprägten Welt ist eine Abschätzung des zukünftigen Nachfrageverhaltens mit klassischen Methoden wenig zielführend. Das Forschungsprojekt Angewandte Künstliche Intelligenz verfolgt das Ziel, diese Blackbox zugänglich zu machen. Mit angewandter Spitzenforschung im Bereich der KI-unterstützten Vorhersage von Nachfrageentwicklungen sollen sowohl in Industrie als auch öffentlicher Verwaltung die nutzerorientierte KI-Tools entwickelt und anwendungsorientiert aufbereitet werden.

Durch das Forschungsprojekt soll die Wettbewerbsfähigkeit der KMU insgesamt verbessert, Arbeitsplätze auch in ländlichen Regionen gesichert und die Diversität der Wirtschaft erhalten werden. Gleichermaßen steht die KI-basierte Optimierung von zentralen, nachfrageinduzierten Bereichen der öffentlichen Verwaltung im Fokus des Projekts.

Darüber hinaus dient das Forschungsprojekt als Kommunikator und Multiplikator, um einen breitenwirksamen Einsatz von Künstlicher Intelligenz zu ermöglichen. Mit der Erhöhung der Akzeptanz für neue Technologien werden optimale Voraussetzungen für eine stabile und nachhaltige Entwicklung der Wirtschaft, Industrie, Verwaltung und Gesellschaft geschaffen.

Projektleitung:
Prof. Dr. Lutz Neumann, Direktor Staatliche Studienakademie Plauen
lutz.neumann[at]ba-sachsen.de
+49 (0) 3741 5709-110

Klein- und Mittelstädte sind Anker und Knotenpunkte der Daseinsvorsorge in ländlichen Räumen. Damit haben sie eine zentrale Bedeutung für eine nachhaltige Regionalentwicklung, die Sicherstellung gleichwertiger Lebensverhältnisse und den gesellschaftlichen und räumlichen Zusammenhalt. Viele Klein- und Mittelstädte in peripheren ländlichen Räumen haben mit Abwanderung, einer alternden Bevölkerung und einem Verlust an Wirtschaftskraft zu kämpfen. In den letzten Jahren zeichnet sich jedoch in einigen dieser Städte eine Trendwende ab: Lange schrumpfende Kommunen wachsen wieder.

Auslöser dieser Entwicklung sind insbesondere veränderte Wanderungsmuster, die schon in der zweiten Hälfte der 2010er Jahre zu einer Trendwende zugunsten ländlicher(er) Räume führten, deren Ursachen bisher jedoch wenig erforscht sind. Das Projekt Post-Shrinking Towns untersucht daher post-schrumpfende Klein- und Mittelstädte außerhalb der Großstadtregionen. Hierbei werden u.a. die ursächlichen Wanderungsmuster der Trendwende von Schrumpfung zu Wachstum in den Blick genommen. Im Fokus steht zudem die Verhandlung dieses Prozesses durch lokale Akteur*innen und entsprechende Strategien und Politiken.

Das Projekt-Team forscht sowohl statistisch-quantitativ mit bundesweitem Fokus als auch qualitativ mittels Fallstudien in ausgewählten Regionen unter Einbeziehung regionaler Akteur*innen. Ziel des Projekts ist es somit alternative Perspektiven auf strukturschwache und peripherisierte Regionen zu eröffnen und einen Beitrag zu Debatten, um eine ausgeglichene und gerechte Raum- und Regionalentwicklung zu leisten. Zudem wird die Grundlage für eine zielgenauere Politik- und Gesellschaftsberatung geschaffen.

Projektleitung:
Dr. Tim Leibert
T_Leibert[at]leibniz-ifl.de
Tel. +49 341 600 55-188

Elektronische Anregungen in Festkörpern sind die Grundlage aller modernen elektronischen, photovoltaischen und optischen Technologien. Signifikante Performancesteigerungen bzw. die Umstellung auf umweltfreundliche und energiesparende Technologien erfordert jedoch die Entwicklung und Nutzung neuartiger (nicht silizium-basierter) Materialien, wie z.B. organischer Halbleiter oder zweidimensionaler Materialien. Diese zeigen typischerweise ein sehr komplexes und schwierig zu optimierendes Verhalten, welches wesentlich durch die starke Wechselwirkung verschiedener elektronischer Anregungen, wie z.B. Gitterschwingungen mit Elektronen-Loch Paaren, bestimmt wird.

Ziel dieses Projektes ist der Aufbau eines weltweit einzigartigen Elektronenenergieverlustspektrometers und dessen Einsatz bei der herausfordernden Erforschung umweltfreundlicher Materialien und resourcenschonender Technologien. Das Instrument ermöglicht das Studium einer Vielzahl elektronischer Anregungen wie Gitterschwingungen, Spinwellen, Elektronengasschwingungen und Elektron-Loch Paaren, bei gleichzeitiger Variation externer Parameter, wie Temperatur, Lichteinstrahlung und Stromstimulation. Als zentrales Instrument zahlreicher kollaborativer Großforschungsprojekte (z.B. Exzellenzcluster, Sonderforschungsbereiche) ist das Instrument darüber hinaus für das Leibniz Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden e. V. und dem Forschungsverbund Dresden-concept von hoher strategischer Bedeutung.

Projektleitung:
Prof. Dr. Axel Lubk
a.lubk[at]ifw-dresden.de
0351/4659302

Die Anpassung an den Klimawandel stellt die bestehende Abwasserinfrastruktur vor neue Herausforderungen: einerseits aufgrund häufigerer regionaler Starkregenereignisse und andererseits durch Dürren und Niedrigwasserphasen, die insbesondere in den letzten Jahren verstärkt aufgetreten sind. Um sowohl den Klimawandel als auch die "0-Pollution Ambition" des "EU-Green Deal" zu bewältigen, ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Abwasserentsorgung in Städten und ländlichen Gebieten weiterhin die grundlegenden Bedürfnisse der Bevölkerung erfüllt. Gleichzeitig müssen dabei die natürlichen Ökosysteme und die Biodiversität geschützt sowie Naturgefahren gemindert werden.

Um diese Ziele zu erreichen, planen wir, die bestehende Abwasserinfrastruktur im Zusammenhang mit dem natürlichen Wasserkreislauf für die mittlere Elbe, einem repräsentativen Gebiet, in einem digitalen Informationssystem abzubilden. Dieses System wird Entscheidungsträgern zur Verfügung stehen. Unser Ziel ist es, konkrete Entscheidungshilfen für den Freistaat Sachsen zu schaffen. Gleichzeitig streben wir an, als Leuchtturmprojekt für Forschung und Innovation im Bereich der wasserbezogenen Herausforderungen der Klimaanpassung und des "EU-Green Deal" zu dienen.

Projektkoordination:
Dr. Christian Schmidt
+49 341 235 1983
christian.schmidt[at]ufz.de"

Das Projekt beschäftigt sich mit Grundlagenforschung zur Realisierung der Energiewende insbesondere im Bereich der CO₂-neutralen Mobilität. Ziel ist es, Wasserstoff aus flüssigen erneuerbaren Energieträgern wie Methanol oder Ethanol abrufbar zu machen bzw. nachhaltige elektrische Energie in zukünftige Treibstoffe umzuwandeln (Power-to-X).

Da die heterogene Katalyse in diesen Prozessen eine große Rolle spielt, wird die Kapazität zur katalytischen Testung in der Professur Materialien für innovative Energiekonzepte um zwei Reaktorstände (inkl. online-Analytik mittels Gaschromatographie) erweitert.

Die Arbeiten tragen zur Energiewende, der Abfederung des Strukturwandels in Sachsen sowie insbesondere den UN-Nachhaltigkeitszielen 4, 7, 13 und 17 bei.

Projektleitung
Prof. Dr. Marc Armbrüster
marc.armbruester[at]chemie.tu-chemnitz.de
0371 531 36 176

Im Projekt Nanowelle sollen die technologischen Grundlagen und Bauelemente für eine direkte Verarbeitung optischer Signale auf Wafer- und Chipebene erforscht werden, um den Widerspruch zwischen Energieverbrauch und steigenden, zu übertragenen Datenmengen perspektivisch aufzulösen.

In der Informationstechnologie (IT) werden höhere Datenraten und größere Datenmengen in fast allen Bereichen unseres täglichen Lebens gefordert. Einige Beispiele sind die Entwicklung von 6G für autonome Mobilität und Consumer-Anwendungen oder die Transformationen in der intelligenten Industrie 4.0. Dieses Wachstum von Datenmengen und -raten befördert auch den Zugang zu Bildung, schafft Arbeitsplätze, sowie Innovation in Industrie und Infrastruktur, wodurch Armutsrisiken gesenkt und Wirtschaftswachstum befördert werden können. Gleichzeitig steht der steigende Energiebedarf für die Informationstechnologien dem menschlichen Streben nach Ressourceneffizienz und nachhaltigem Konsum diametral entgegen. Der steigende Stromverbrauch bei steigenden Datenmengen und –raten ist nur durch eine disruptive technologische Innovation möglich. Dies kann umgesetzt werden, indem eine elektrische IT durch eine optische und quantenbasierte IT ersetzt wird.

Optische und Quanten-IT im Wafer- und Chiplevel basiert auf Dünnschicht-Wellenleitern und optisch nichtlinearen Kristallen. Das Projektteam im Vorhaben Nanowelle wird nanolithografisch strukturiertes, optisch nichtlineares Aluminiumnitrid (AlN) in eine Waferlevel-Technologieplattform integrieren, sowie grundlegende Bauelemente wie Wellenleiter, optische Koppler und Ringresonatoren für die optische und Quanten-IT erarbeiten. Grundlagenphysikalische Erkenntnisse sollen durch industriell relevante Materialien und Technologien rasch in die Anwendungsreife überführt werden.

Projektleitung
Julia Wecker
julia.wecker[at]enas.fraunhofer.de
+49 371 45001 613

Im Rahmen des Forschungsvorhabens soll das derzeit etablierte Verfahren des segmentierten Gamma Scannings (SGS) zur Deklaration von radioaktiven Abfallgebinden an Fassmessplätzen grundsätzlich verbessert werden. Ziel ist die grundsätzliche Neuentwicklung des Verfahrens auf Basis von Mehr-Detektor-Systemen. Durch eine erhöhte Anzahl von Detektoren zur Untersuchung der Abfallgebinde und die Anwendung von Rekonstruktionsalgorithmen nach Stand von Wissenschaft und Technik kann die lokale Verteilung der Aktivität deutlich exakter bestimmt werden als mit den derzeit verfügbaren Ein-Detektor-Systemen. Die Messgenauigkeit bei der Deklaration, insbesondere für inhomogene Aktivitätsverteilungen, kann so deutlich verbessert werden. Die Kenntnis der genauen Aktivitätsverteilung erlaubt gleichzeitig eine nachträgliche Sortierung des Abfalls und kann somit zur Reduktion des radiologisch relevanten Abfallvolumens für die Endlagerung führen. Die verbesserte Deklaration des radiologischen Inventars von Abfallfässern ermöglicht weiterhin genauere Betrachtungen zu sicherheitsrelevanten Fragen im Rahmen der Entsorgung und Endlagerung.

Projektleitung:
Dr. Axel Jahn
axel.jahn[at]vkta.de
0351 260-3169

Das Projekt "SCALEx" zielt darauf ab, ein neues, flexibel einsetzbares Messsystem für die Kohlenstoffspeicherung und die Wasserverfügbarkeit in Boden und Landschaft zu etablieren. Da die Zustände und Flüsse von Wasser und (organischem) Kohlenstoff sowohl räumlich als auch zeitlich sehr dynamisch sind und von vielen Faktoren abhängen, wird das Monitoring- und Explorationssystem in diesem Projekt explizit skalenübergreifend konzipiert. Dazu werden geophysikalische, hydrophysikalische und biogeochemische Methoden für Labor- und in-situ-Messungen kombiniert. Um Aussagen über Standortpotentiale und deren Veränderungen treffen zu können, werden standardisierte Experimente automatisiert durchgeführt und deren Auswertung weitgehend vereinfacht. Es werden Protokolle zur integrativen Datenerfassung und Routinen zur halbautomatischen Auswertung und Darstellung der Messungen entwickelt. Um die Verfahren möglichst vielen Menschen zugänglich zu machen, werden in diesem Projekt auch Citizen Science-fähige Verfahren entwickelt und deren Anwendung stark vereinfacht. Gegenstand der Förderung ist die Beschaffung der Messtechnik und die wissenschaftlich-technische Erarbeitung der Integration aller Komponenten zu einem einsatzfähigen Gesamtsystem sowie die Entwicklung der skalenübergreifenden und skalierbaren Auswerteroutinen.

Projektleitung:
JunProf. Dr. Conrad Jackisch
conrad.jackisch[at]tbt.tu-freiberg.de
03731 39 2681

Die sozioökonomische und demografische Realität ist vielschichtiger als "Stadt" vs. "Land": Nicht alle ländlichen Gebiete sind benachteiligt. Allerdings stellt sich hier häufiger als in Städten die Frage nach dem Zusammenhang von Mobilitäten, Infrastrukturen und Erreichbarkeiten sowie gesellschaftlicher Teilhabe, Sozialer/Generationengerechtigkeit und Nachhaltigkeit.

Das IfL-Projekt PeriMobil soll Wissen über Mobilitätsmuster und -bedarfe in strukturell benachteiligten Regionen verbessern und für eine Mobilitätswende nutzbar machen. Dabei werden die UN-Nachhaltigkeitsziele Reduktion von Ungleichheit, nachhaltiger Konsum und Produktion sowie nachhaltige Städte und Gemeinden miteinander verknüpft.

PeriMobil baut auf der Analyse- und Visualisierungssoftware hin&weg und qualitativen Forschungsergebnissen aus IfL-Projekten in peripheren Regionen auf. Die Analyse erfolgt durch die innovative Erschließung von Mobilitätsdaten, lokale Workshops zu Ideen und Anforderungen an attraktive Mobilität in peripherisierten Räumen und Pilotinterviews.

Das Projekt konzentriert sich auf zwei Fallstudienregionen: der inneren Peripherie im Landkreis Nordsachsen und Grenzräumen im Erzgebirgskreis. Ziel ist es, Mobilitätsmuster und -bedarfe zu erheben und für die Grundlagenforschung nutzbar zu machen. Die Ergebnisse sollen zur Entwicklung einer ökologisch und sozial nachhaltigen Mobilität beitragen, die gesellschaftliche Teilhabe ermöglicht und die UN-Nachhaltigkeitsziele unterstützt.

Projektleitung:
Dr. Wladimir Sgibnev
w_sgibnev[at]leibniz-ifl.de

Der globale Klimawandel führt zu erheblichen, oft unvorhergesehenen Veränderungen in der
Atmosphäre mit vielfältigen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt. Das Leibniz-Institut für
Troposphärenforschung (TROPOS) entwickelt und nutzt seit mehr als 25 Jahren Verfahren der Laser-
Fernmessung für das Studium atmosphärischer Prozesse und die Langzeitbeobachtung von Aerosolen
und Wolken bis in Höhen von etwa 50 km. In diesem Forschungsprojekt wird das Laser-Messgerät
MARTHA am TROPOS ausgebaut und für die neuen Herausforderungen der experimentellen Klima und
Umweltforschung fit gemacht. Mit der Fluoreszenz-Spektroskopie wird ein neuartiges
Messverfahren eingeführt, mit dem eine verbesserte Identifizierung und Charakterisierung von
Aerosol aus Verbrennungsprozessen, insbesondere Waldbränden, und anderen Partikeln organischen
Ursprungs, wie z.B. Pollen, möglich ist. Das modernisierte Messgerät wird nach Abschluss des Projekts
für die langfristige Beobachtung von klima- und umweltrelevanten atmosphärischen Prozessen vom
Boden bis in die obere Stratosphäre eingesetzt. Schwerpunkte der Arbeiten der nächsten Jahre liegen
auf der Untersuchung des Einflusses von Rauch aus Waldbränden auf die Luftqualität und auf Prozesse
in der oberen Atmosphäre, z.B. Eiswolkenbildung und Ozonabbau, sowie der Aufklärung der Rolle
biologischer Partikel bei der Aerosol-Wolken-Wechselwirkung. Mit seiner großen vertikalen
Reichweite ist das System auch eine ideale Vergleichsstation für Satellitenmessungen.

Projektleitung:
Dr. Ronny Engelmann
ronny.engelmann[at]tropos.de
0341 2717 7315

Quantensensoren, die sich die extreme Empfindlichkeit von Quantensystemen gegenüber ihrer Umgebung zunutze machen, bieten eine radikal neue Leistungsfähigkeit auf der Nanoskala. Das Gesamtziel des Vorhabens ist die Anschaffung eines Scanning-Quantenmagnetometers, um das Spektrum der innovativen Instrumente am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) zu erweitern und die Aktivität im Bereich Quantentechnologie zu intensivieren. Dieses Instrument soll für die Spitzenforschung auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie zur Verfügung stehen sowie als Testinfrastruktur für Quantensensorik in Sachsen dienen.

Projektleiter:
Dr. Georgy Astakhov
Tel.: +49 351 260 3894
g.astakhov[at]hzdr.de

Am Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM) e.V. werden energetische Elektronen eingesetzt, um Biopolymernetzwerke mit maßgeschneiderten Eigenschaften zu versehen. Ein wichtiges Beispiel dafür stellen modifizierte Kollagennetzwerke dar, die als Gewebeersatz dienen können, nachdem sie mit Zellen besiedelt wurden. Kollagen ist nämlich ein wesentlicher Bestandteil aus denen das Gewebe von Wirbeltieren besteht. Das Projekt will zu einem grundlegenden Verständnis dieser veränderten Netzwerke beitragen und daraus neue Therapiemöglichkeiten entwickeln.

Um die Veränderungen in den Netzwerken zu untersuchen, soll ein konfokales Laser-Scanning-Mikroskop genutzt werden. Darüber hinaus sollen experimentell Daten gewonnen werden, die die Veränderungen in den Strukturen der Netzwerke in einen Zusammenhang mit verschiedenen Krankheiten setzt.

Bei der Auswertung stehen u.a. Deep Learning-Verfahren (Teilbereich der künstlichen Intelligenz) im Zentrum.

Projektleitung:
Prof. Dr. Stefan G. Mayr
stefan.mayr[at]iom-leipzig.de
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung e. V.
Permoserstr. 15
04318 Leipzig
0341 235 3367