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ÖSTERREICH JOURNAL NR. 110 / 02. 08. 2012 Wissenschaft & Technik Blütenstaub läßt Wolken gefrieren Blütenpollen können für das Gefrieren von Wolken verantwortlich sein und damit einen wichtigen Einfluß auf das Klima ausüben. Bisher hatte man diesen Effekt für sehr gering gehalten, weil in großer Höhe kaum noch Pollen zu finden sind. Allerdings besitzen Pollen an ihrer Oberfläche viele verschiedene Makromoleküle. An der TU Wien konnte man nun zeigen, daß genau solche Moleküle beim Gefrieren von Wolken eine entscheidende Rolle spielen können. Eine Temperatur von weniger als 0 °C reicht nicht unbedingt aus, um Wasser gefrieren zu lassen. Ein Wassertröpfchen braucht außerdem einen sogenannten Nukleationskeim – eine mikroskopisch kleine Struktur, an der sich die Wassermoleküle orientieren können, um Eiskristalle zu bilden. Das Prinzip kann bei Schneekanonen genützt werden, bei denen dem versprühten Wasser Fragmente des Bakteriums Pseudomonas syringae als Nukleationskeime zugesetzt wird. Bei den Wassertropfen von Wolken in großer Höhe ist es genauso. „Organische Materialien spielen dabei eine große Rolle“, erklärt Professor Hinrich Grothe vom Institut für Materialchemie, „wir haben daher untersucht, wie sich Pilzsporen und Blütenpollen auf den Gefrierprozeß auswirken.“ Pollen sind zwar nur einige Hundertstel eines Millimeters groß, trotzdem sind sie zu schwer um sich bis in große Höhen zu verteilen. In mehr als fünf Kilometer Höhe sind sie kaum noch zu finden. Man nahm daher lange Zeit an, daß sie für das Gefrieren der Wolken keine große Bedeutung haben, auch wenn sich manche von ihnen gut als Nukleationskeime eignen. Makromoleküle starten Gefrierprozeß Pollen haben eine komplizierte Oberflächentextur. Man könnte daher meinen, daß die Textur der Oberfläche etwas mit der Nukleation zu tun hat. „Wir haben nun aber gezeigt, daß das nicht stimmt“, berichtet Bernhard Pummer (Institut für Materialchemie, TU Wien). „Die Pollen haben an ihrer Oberfläche Makromoleküle, die sich leicht ablösen lassen. Verwendet man nur diese Makromoleküle und läßt den Pollenkörper weg, ist die Nukleationswirkung genauso groß, als würde man die vollständigen Pollen haben auch Auswirkungen auf das Wetter und das Klima, fand ein Forschungsteam der TU Wien heraus. Foto: TU Wien Ragweed-Pollen (Traubenkraut, Beifußblättrige Ambrosie) Pollen verwenden. Einige dieser Makromoleküle sind also für das Gefrieren der Wolkentröpfchen verantwortlich.“ Diese können mühelos bis in die obere Troposphäre in mehr als 10 km Höhe vordringen und dort Wolken zum Gefrieren bringen – der Pollenkörper wird dafür gar nicht benötigt. Für die Klimaforschung ist das ein wichtiger Punkt: Einerseits beeinflußt das Gefrieren von Wolken die Niederschlagsmenge, andererseits ändert sich dadurch auch die Reflektivität der Wolke – die sogenannte Albedo. Gefrorene Wolken reflektieren das Sonnenlicht besser ins All zurück, die Erde wird dadurch abgekühlt. Künstliche Wolke im Ölbehälter Der Doktorand Bernhard Pummer untersucht die Nukleationsprozesse im Labor: Statt Wassertropfen in der Luft untersuchte er Wassertröpfchen in Öl. Den Wassertröpfchen werden entweder Pollen oder deren Oberflächen-Makromoleküle zugesetzt, die Emulsion wird abgekühlt und die Gefriertemperatur gemessen. „Unterschiedliche Pollen lassen das Wasser bei unterschiedlicher Temperatur gefrieren – doch zwischen den Pollenkörpern und den körperlosen Oberflächenmolekülen gibt es keinen signifikanten Unterschied“, berichtet Pummer. »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at 66 Daß bestimmte Pflanzen Pollen hervorbringen, die sehr effizient im Gefrierenlassen von Wassertropfen sind, findet Hinrich Grothe durchaus naheliegend: Die Eisschicht rund um die Pollen könnte eine Schutzfunktion ausüben und somit für die Pflanze nützlich sein. Die genaue chemische Struktur der vielen unterschiedlichen Moleküle ist bisher noch nicht genau geklärt. „Es dürften Polyzucker sein“, vermutet Grothe, doch hier gibt es noch viel zu forschen. Die Erkenntnisse der Wiener Materialchemie-Gruppe wurden in dem Fachjournal „Atmospheric Chemistry and Physics“ veröffentlicht und international mit großer Aufmerksamkeit aufgenommen. Gemeinsam mit KollegInnen aus ganz Europa hat Hinrich Grothe nun einen Übersichtsartikel zur Eisnukelation für die hochangesehene Zeitschrift „Reviews of Modern Physics“ verfaßt. Die Forschungsarbeit wird im Rahmen des TU-Förderprogrammes „Innovative Projekte“ durchgeführt. Beteiligt sind neben dem Institut für Materialchemie auch das Institut für Chemische Technologien und Analytik und die Einrichtung für Transmissions-Elektronenmikroskopie (USTEM). • http://www.imc.tuwien.ac.at http://rmp.aps.org/covers/84/2
ÖSTERREICH JOURNAL NR. 110 / 02. 08. 2012 Wissenschaft & Technik Magnetische RAM-Power SimulationsexpertInnen der FH St. Pölten »spinnen« neue Datenspeicher 67 Nanomagnetische Bauteile könnten die Zukunft der zentralen Speichermöglichkeiten von Computern bedeuten. Wesentlich dafür ist die Nutzung der als „magnetischer Spin“ bezeichneten Eigenschaft bestimmter Metalle. Das hat die Analyse von nanomagnetischen Prozessen durch modernste Simulationstechniken an der Fachhochschule St. Pölten ergeben. Am 9. Juli wurden neueste Erkenntnisse zu nanomagnetischen Potentialen und Anwendungsbeispiele dieser Technologie auf der „19th International Conference on Magnetism“ in Korea der Fachwelt vorgestellt. Maximale Leistungssteigerung Höher, schneller, weiter – die Nachfrage nach miniaturisierten Technologien, die Rechenprozesse schneller und energieeffizienter machen und größere Speichervolumina erlauben, ist enorm. „Da stellt sich die Frage, wie die Zukunft des als RAM bezeichneten Arbeitsspeichers von Computern oder auch der Festplatte aussehen könnte. Die Spin- Elektronik und Nanostrukturen sind dabei große Hoffnungsträger, da sie die Konstruktion neuartiger magnetischer Datenspeicher erlauben“, meint Prof. Thomas Schrefl, Leiter des Master-Studiengangs Industrial Simulation an der FH St. Pölten. Die Nutzung des Nanomagnetismus würde das derzeit flüchtige Gedächtnis des Arbeitsspeichers in ein elefantenhaftes Langzeitgedächtnis verwandeln. Und die Speicherkapazität von Festplatten ist noch lange nicht ausgereizt, wenn man das nanomagnetische Verhalten ihrer Komponenten optimal ausnützt. Die Berechnung und Analyse der dafür notwendigen magnetischen Prozesse ist allerdings eine Herausforderung an die Rechenleistung, die nur durch modernste Simulationstechnik zu meistern ist. An der FH St. Pölten wird diese Herausforderung nun mit einem innovativen Simulationsmodell angenommen. 1:0 für die Simulation Mit diesem Modell läßt sich das Verhalten von magnetischen Nanostrukturen, also mikroskopisch kleinen magnetischen Teilchen in Schichtsystemen, analysieren. Wesentlich ist dabei, das „Umschalten“ von elektromagnetischen Elementen darstellen Foto: Fachhochschule St. Pölten GmbH Univ.Prof. FH-Prof. Thomas Schrefl zu können. Denn dieses liegt dem Prinzip, digitale Information in binären Codes von „1“ und „0“ darzustellen, zugrunde. An der FH St. Pölten werden dazu nun unterschiedliche Simulationstechniken wie stochastische Optimierungsalgorithmen und Randelementeverfahren zur Berechnung magnetischer Felder mit der sogenannten Finite- Elemente-Methode kombiniert: „Dabei handelt es sich um eine Simulationsmethode, die auch in der Statik und der Mechanik für die Konstruktion von Hochhäusern und Brükken eingesetzt wird. Diese Technologie kann man auch auf magnetische Teilchen anwenden, um sich magnetische Spin-Eigenschaften von Elektronen anzuschauen“, erläutert Prof. Schrefl. Und gerade dieser Spin könnte der Schlüssel zu revolutionären Fortschritten bei der Entwicklung der zentralen Computerspeicher sein. Noch nach dem ursprünglichen Prinzip So funktionieren selbst die leistungsfähigsten Arbeitsspeicher (RAM – Random Access Memory) noch heute nach dem ursprünglichen Prinzip, das die Speicherung auf Grundlage elektrischer Ladung vorsieht. Hohe Ladung = 1, niedrige Ladung = 0. Ist der Strom weg, passiert aber auch das Gleiche mit der gespeicherten Information. Anders bei der Nutzung des magnetischen Spins von Elektronen. Dieser ist auch ohne Strom stabil und kennt sogar vier Zustände: links, rechts, oben, unten. Neben stromunabhängiger Speicherung ist durch die Nutzung dieser vier Zustände auch eine höhere Speicherdichte möglich. Magnetische RAM-Power Erste Umsetzung dieses Prinzips sind sogenannte MRAMs (Magnetic Random Access Memory). Diese basieren auf mikroskopisch kleinen, zirka 40 x 40 Nanometer großen, magnetischen Elementen, deren Verhalten das Team um Schrefl simuliert. Dieser meint dazu: „Unser Ziel ist es, bei den Umschaltprozessen eine Geschwindigkeit von 10 Bit pro Nanosekunde zu erreichen. Doch dieses Ziel ist nur bei einem optimalen Design unter gleichzeitig effizienter Nutzung der Materialeigenschaften möglich.“ Gleiches gilt für die Optimierung des Festplattendesigns, das bereits auf magnetische Prozesse aufbaut, diese aber laut Prof. Schrefl bei weitem nicht zu ihrem vollen Potential ausnützt. In Korea hat Prof. Schrefl solche Anwendungsgebiete der von ihm entwickelten Simulationsverfahren vorgestellt. Deren Nutzung, davon ist er überzeugt, erlaubt es, die Computer-Power des 21. Jahrhunderts zu maximieren – ohne den aufwendigen Bau zahlloser Prototypen. Über die Fachhochschule St. Pölten Die Fachhochschule St. Pölten ist Anbieterin praxisbezogener und leistungsorientierter Hochschulausbildung in den Themengebieten Medien, Informatik, Verkehr, Gesundheit und Soziales. In mittlerweile 16 Studiengängen werden rund 2000 Studierende betreut. Neben der Lehre widmet sich die FH St. Pölten intensiv der Forschung. Die wissenschaftliche Arbeit erfolgt innerhalb der Kompetenzfelder Medientechnik, Medienwirtschaft, IT-Sicherheit, Simulation, Schienenverkehr, Gesundheit und Soziales. Es erfolgt ein stetiger Austausch zwischen Studiengängen und Instituten, in denen laufend praxisnahe und anwendungsorientierte Forschungsprojekte entwickelt und umgesetzt werden. • http://www.fhstp.ac.at »Österreich Journal« – http://www.oesterreichjournal.at
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