Flinker Check für Pharmazeutika
Bis zu zwölf Jahre Entwicklungszeit und mehrere Hundert Millionen Euro Kosten – der Aufwand, den Pharmaunternehmen treiben müssen, bis sie ein neues Medikament auf den Markt bringen können, ist gewaltig. Dabei werden die meisten neuen Wirkstoffe nicht per Zufall entdeckt. In der Regel sind sie das Ergebnis einer hartnäckigen und gezielten Suche. „Man wählt eine Zielstruktur, Target genannt, aus und prüft die Wechselwirkung einer Vielzahl verschiedener Moleküle damit”, erklärt Niels Fertig, Geschäftsführer der Münchener Nanion Technologies GmbH. Ein Target ist ein Molekül im Körper, an dem ein Arzneimittel ansetzen kann, um den Verlauf einer Krankheit zu beeinflussen. Zu den wichtigsten Zielstrukturen gehören Ionenkanäle – Proteine, die kleine Poren in einer Zellmembran bilden. Durch die Poren können elektrisch geladene Ionen in die Körperzelle hinein- oder aus ihr herausströmen.
Bis zu mehrere Hunderttausend Substanzen werden in der Anfangsphase der Medikamentenentwicklung an einem Target getestet. „Anschließend sortiert man die relevanten Substanzen aus und fokussiert weiter, bis am Ende vielleicht noch einige Hundert potenzielle Wirkstoffe übrig sind, die dann mit höherwertigen Messmethoden untersucht werden”, erklärt Fertig. Gemeinsam mit Andrea Brüggemann, Co-Geschäftsführerin bei Nanion, und Jan C. Behrends, Mitgründer und Beiratsvorsitzender des Unternehmens sowie Professor für Physiologie an der Universität Freiburg, hat er eine Technologie entwickelt, die Pharmafirmen ein sehr effizientes und kostengünstiges „Screening” an Ionenkanälen ermöglicht. Die Technologie basiert auf dem „ Patch-Clamping”. Dabei wird unter dem Mikroskop eine Pipette vorsichtig an eine einzelne Zelle herangeführt, um elektrische Ströme zu messen.
Allerdings: „Das Verfahren ist aufwendig, erfordert viele apparative Aufbauten sowie Erfahrung und Geschick beim Benutzer”, sagt Fertig. Entsprechend gering ist der Probendurchsatz. Daher ist die Methode für die Industrie ungeeignet. Die Innovation der Forscher von Nanion ändert das: „Wir haben das Prinzip des Patch-Clamping von einer Glaspipette auf einen mikrofein strukturierten Chip übertragen, der die Positionierung von Zellen in einem automatischen Format ermöglicht”, berichtet Fertig. Statt die Pipette zur Zelle hin zu bewegen und dann den Kontakt herzustellen, bewegen die Forscher die Zellen und positionieren sie auf dem Biochip. Das vereinfacht und beschleunigt das Verfahren erheblich. Und: An einem einzigen Chip lassen sich viele Zellen gleichzeitig analysieren. Das macht die Technologie für die Pharmaindustrie interessant. Niels Fertig betont: „Die Patienten können hoffen, künftig schneller bessere Medikamente zu bekommen, die auch preisgünstiger sind.”
Ralf Butscher
Ohne Titel
Energiepakete aus Nanokrümeln
Hybridautos sind in Mode. Toyota feierte 2007 das zehnjährige Jubiläum der Einführung des Prius – des ersten Fahrzeugs, unter dessen Haube ein Verbrennungs- und ein Elektromotor stecken. Viele andere Hersteller haben angekündigt, ebenfalls Modelle mit Hybridantrieb auf den Markt zu bringen. Doch die Wagen mit den zwei Herzen haben einen Schwachpunkt: die Batterien, die Energie für den Elektromotor speichern. Sie basieren bisher auf der Nickel-Metallhydrid-Technologie. Doch die bietet nur eine recht geringe Kapazität und macht die Batterien schwer. Besser wären Lithium-Ionen-Speicher. „Diese Batterietechnologie bietet chemisch die höchste Leistungsfähigkeit”, sagt Andreas Gutsch, Leiter Creavis Technologies and Innovation bei der Essener Evonik Industries AG.
Aufladbare Lithium-Ionen-Batterien stecken in Mobiltelefonen, Laptops und Digitalkameras. Doch wo viel Energie benötigt wird – etwa in Hybridautos – ließen sie sich bisher nicht nutzen. Der Grund: „Die Energiedichte in den großen Zellen ist so gewaltig, dass die Batterie explodieren kann, zum Beispiel wenn sie beschädigt wird”, erklärt Gutsch. Gemeinsam mit seinem Marketing-Kollegen Gerhard Hörpel von Evonik und Paul Roth, emeritierter Professor am Lehrstuhl für Verbrennung und Gasdynamik der Universität Duisburg-Essen, fand Gutsch einen Weg, das Sicherheitsproblem zu lösen. „Das zentrale Element unserer Technologie ist der Separator”, sagt Hörpel. Er trennt Plus- und Minuspol in der Batterie und verhindert so einen Kurzschluss. Gleichzeitig muss der Separator die Lithium-Ionen beim Laden und Entladen der Batterie passieren lassen.
Die Herausforderung war es, ein Separatormaterial zu finden, das auch bei hoher Temperatur stabil ist. Die Lösung: eine Trennschicht aus einer sehr temperaturbeständigen Keramik. Allerdings: „Der Werkstoff ist üblicherweise steif und zerbrechlich”, erklärt Hörpel. Damit sich die Keramikmembran zur Batterieherstellung nutzen lässt, musste sie so flexibel wie Folie werden. Das gelang mit keramischen Nanopartikeln – Körnchen von wenigen Millionstel Millimeter Durchmesser. Gutsch, Hörpel und Roth formten daraus eine rund 20 Mikrometer dünne Membran – ideal als Separator für leistungsfähige Lithium-Ionen-Batterien. Die lassen sich nicht nur in Hybridfahrzeugen nutzen, sondern auch zum Stabilisieren der Stromnetze: So kann man von Windrädern oder Solaranlagen im Überschuss erzeugte elektrische Energie künftig in Batterien zwischenspeichern und später wieder abrufen. Das sichert die Stromversorgung – auch wenn dazu wankelmütige Quellen wie Wind und Sonne angezapft werden.
Ohne Titel
Projektor für Superchips
Handys, die Fotos schießen und Videoclips drehen; MP3-Player, die digitale Musikstücke in höchster Klangqualität speichern und wiedergeben; Navigationsgeräte, die zuverlässig und genau den Weg zu einem Parkhaus, Restaurant oder Bekannten weisen. All diese kleinen technischen Wunder gäbe es nicht, hätte sich die Mikroelektronik in den letzten Jahrzehnten nicht atemberaubend schnell entwickelt. Sie folgte dabei Moore’s Law – einem Gesetz, das Intel-Mitgründer Gordon Moore 1965 formuliert hat. Demnach verdoppelt sich die Leistungsfähigkeit von Computerchips etwa alle 18 Monate – ohne dass die Chips dadurch teurer werden.
Um diesen Fortschritt zu sichern, müssen die Fertigungsverfahren für die Computerchips mit derselben Geschwindigkeit verbessert werden. „Die Schlüsseltechnologie für die Herstellung von Computerchips ist heute die optische Lithographie”, sagt Winfried Kaiser, Leiter Produktentwicklung und Strategie Lithographie-Optik bei der Carl Zeiss SMT AG in Oberkochen. Eine komplexe Optik projiziert die mikroskopisch kleinen Strukturen für Transistoren und Leiterbahnen auf eine dünne Siliziumscheibe. Die Strukturen von Prozessoren und Datenspeichern, die sich so erzeugen lassen, sind umso feiner, je kürzer die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist. Derzeit nutzen die Hersteller ultraviolettes Licht, um Leiterbahnen mit 45 Nanometer Breite zu schreiben. Bald sollen sogar Strukturbreiten von 35 Nanometern möglich sein. „Gegen Ende des Jahrzehnts wird die optische Lithographie jedoch an ihre Grenzen stoßen”, prophezeit Peter Kürz, der bei Carl Zeiss SMT die Entwicklung der EUV-Technologie leitet. „Diese Technologie ermöglicht es, Moore’s Law auch im nächsten Jahrzehnt fortzuschreiben.” Ihr wesentliches Merkmal: Sie nutzt extrem kurzwelliges weiches Röntgenlicht. Dieses Licht lassen weder Glas noch andere Materialien durch. Deshalb mussten Kürz, Kaiser und ihr Forscherkollege Martin Lowisch die Optik für die EUV-Lithographie komplett aus Spiegeln aufbauen – im Gegensatz zu konventionellen lithographischen Systemen, die vor allem aus Linsen bestehen. Die Präzision, mit der die Spiegel geschliffen und positioniert werden müssen, war eine enorme Herausforderung: Die Abweichung der EUV-Spiegel von der Sollform beträgt nur 0,2 Nanometer – weniger als einen Atomdurchmesser. Beeindruckend sind auch die Perspektiven, die der Einsatz der EUV-Technologie für die Halbleiterindustrie eröffnet: Im Vergleich zu heute lassen sich zehnmal so viele Transistoren auf einen Chip packen. Dadurch wird es weiterhin preiswerte und immer leistungsfähigere Computerchips geben. Welche aufsehenerregenden Anwendungen daraus hervorgehen werden, ist kaum vorherzusehen. „Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt” , schwärmt Winfried Kaiser.
Ohne Titel
Dünne Schichten schaffen neues Licht
Leuchtende Zwerge erobern den Alltag. Viele Experten sehen in den Licht emittierenden Dioden, kurz LEDs, die wichtigste Lichtquelle der Zukunft. Ihr Herzstück ist ein kleiner Halbleiterkristall, der Licht aussendet, wenn man eine elektrische Spannung anlegt. Eine LED hat eine viel längere Lebensdauer als etwa eine Glühlampe und verbraucht weniger Energie. Der langen Liste an Vorteilen stand jedoch bisher ein Manko gegenüber: Die Leistung der LEDs war zu gering. Daher verrichten sie zwar schon lange ihren Dienst als Signallämpchen in Elektronikgeräten oder zum Beleuchten von Telefondisplays – für den Einsatz in Autoscheinwerfern oder Straßenlaternen waren sie aber nicht hell genug.
Klaus Streubel und Stefan Illek von der Osram Opto Semiconductors GmbH in Regensburg gelang es mit Andreas Bräuer vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena, diese Hürde aus dem Weg zu räumen – und den LEDs viele neue Einsatzmöglichkeiten zu erschließen. Grundlage dafür ist die Dünnfilmtechnologie zur Herstellung der LED-Chips. „Wir beschichten das Substrat, auf dem die Halbleiterlagen aufgebracht sind, mit einem dünnen Belag aus Metall”, erklärt Streubel das Verfahren. Die Metallschicht fungiert als Spiegel, der das im Chip erzeugte Licht reflektiert. Daneben tragen zwei weitere Innovationen zum Wert der neuen Leuchtdioden bei: So entwarfen die Forscher bei Osram ein Gehäuse, in das sich viele LED-Chips nebeneinander packen lassen. Kombiniert man LEDs verschiedener Farbe, kann man durch Mischen des Lichts jeden Farbton oder weißes Licht erzeugen. Die Aufgabe, das Licht zu formen und in eine gewünschte Richtung zu lenken, leistet eine Spezialoptik, die das Team von Bräuer am IOF entwickelt hat.
„Das Resultat ist eine leistungsfähige LED-Lichtquelle mit dem Potenzial, in die Domäne konventioneller Lichtquellen einzudringen”, sagt Klaus Streubel. „Eine der attraktivsten Anwendungen ist die Hintergrundbeleuchtung von Flachbildschirmen.” In Autos haben LEDs schon Einzug gehalten. Viele Brems-, Blink- und Rücklichter enthalten Dünnfilm-LEDs. Und bald soll es erste Fahrzeuge geben, in deren Frontscheinwerfern die Leuchtzwerge stecken. ■
COMMUNITY Fernsehen
Die festliche Preisverleihung am 6. Dezember strahlt das ZDF ab 22.15 Uhr aus. Auch Phoenix plant eine Sendung.
Internet
Detaillierte Informationen zu den Nominierungen, über alle bisherigen Preisträger und die nominierten Forscherteams sowie Neuigkeiten rund um den Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation: www.deutscher-zukunftspreis.de
