Protein gesucht Neutronenstreuung klärt die Struktur von ... · u n g e h i n d e rt in deuterierter Umge-bung wachsen. Die dann je nach Nährlösung ebenfalls deuteriert e n und

Mit einer phantastischen Ge-nauigkeit und einer Schnellig-keit, die jeder Chemiefabriküberlegen ist, produzierenRibosome in den Körperzellendie lebensnotwendigen Prote i n e .Seit Anbeginn der irdischenEvolution und bei praktischallen Organismen in gleicherWeise spielen die komplexenRiesenmoleküle diese zentraleRolle in der Biologie. Die Auf-gabe der Ribosomen kennt manzwar schon seit langem, dochwie sie tatsächlich funktionie-ren, ist bis heute unklar. Um her-auszufinden, wie Ribosomenihrer Arbeit nachkommen kön-nen, werden bei GKSS ganzu n terschiedliche Disziplinen wieM o l e k u l a r b i o l o gie, Chemie undPhysik kombiniert. Als ein gutg e e i g n e tes Instrument für ribo-somale Strukturunte r s u c h u n g e nhat sich die Neutronenstreuungerwiesen. Gezielt nach ihrerFunktion ausgewählte Bereicheinnerhalb des Ribosoms werdenzunächst markiert und anschlie-ßend mit Hilfe der Neutronen-streuung lokalisiert. So wird derg e s u c h te Zusammenhang zwi-schen Funktion und Strukturh e r g e s tellt.

Die Markierung bestimmter Fu n k-tionsbereiche eines Ribosoms isteine raffinierte Angelegenheit. Ve r-wendet werden dazu normaler Wa s-serstoff und das schwere Wa s s e r-stoffisotop Deuterium, denn dieWechselwirkung der Neutronen mitdiesen beiden Isotopen ist unter-schiedlich stark ausgeprägt. Die bio-l o gische Funktionsfähigkeit der Ribo-somen wird durch diese Isotopen-substitution nicht beeinträchtigt .Zunächst werden als Ausgangsma-terial „protonierte“ (ausschließlichnormalen Wasserstoff enthaltende)und deuterierte Zellen (die nurschweren Wasserstoff enthalten)g ezüchtet. Letztere herzustellen istdabei besonders schwierig, denn

d e u t e r i e rtes Wasser und deuteriert eNährstoffe, in denen die Zellenwachsen müssen, sind normalerwei-se Zellgifte. Das Institute of ChemicalPhysics & Biophysics in Tallin, Est-land, beherrscht ein Ve rfahren, mitdem der Stoffwechsel eines be-stimmten Bakterienstammes so be-einflußt wird, daß die Zellen nahez uu n g e h i n d e rt in deuterierter Umge-bung wachsen. Die dann je nachNährlösung ebenfalls deuteriert e nund protonierten Ribosomen werdenaus diesen Zellen isoliert .

Aus deuterierten und protoniert e nRibosomen werden anschließendam Max-Planck-Institut für Moleku-lare Genetik in Berlin die Präparatefür die Neutronenstreuung herge-stellt. Dort ist man in der Lage, Ribo-somen in ihre 57 Unterbausteine zu

zerlegen. Die hohe Kunst desPräparierens besteht nun darin, ausden deuterierten und den – alsMarkierung dienenden – protonier-ten Bausteinen entsprechend derFragestellung wieder ein funktionie-rendes Ribosom zusammenzubauen.Die Natur kommt den Wi s s e n s c h a f t-lern dabei ein wenig zur Hilfe: Beientsprechender stöchiometrischerZusammensetzung der Präparations-lösung setzen sich die Ko m p o n e n t e nder Ribosome „von alleine“ wiederzu einem arbeitsfähigen Ribosomzusammen, sie rekonstituieren. Dieh o c h k o m p l i z i e rte vollständige Ribo-somen-Rekonstitution zu umgehenund statt dessen große Bereiche ausdem Ribosom herauszutrennen, strebtdas Institut for Protein Research inPushchino, Rußland, an. Auf dieseWeise ist es bereits gelungen, einen

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Protein gesuchtNeutronenstreuung klärt die Struktur von Biomolekülen auf

Am gläsernen elektronenmikroskopischen Modell des Ribosoms kann veranschaulicht werden,wie der Informationsfaden der mRNA durch das Ribosom laufen könnte.

Jahresbericht 1997/98

Forschung in Netzwerken

GKSSJB97/98 ausge 28.08.2007 11:24 Uhr Seite 2

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äußerst empfindlich gegenüber peri-odischen Dichteänderungen im Ma-terial und vermögen noch millionstelMillimeter kleine Strukturen aufzu-spüren. Wi e n e r, Osnabrücker undGeesthachter Wissenschaftler habenjetzt eine neue Versuchsanlage ander GeNF aufgebaut, die – weltweiterstmalig – Laserlicht und Neutroneneint: HOLO NS steht für „Hologr a p h i eund Neutronenstreuung“ und be-zeichnet eine Experimentiereinrich-tung, mit der mittels Neutronen-streuung in Echtzeit beobachtet wer-den kann, was im Probenmaterial vorsich geht, während ein Hologr a m mgeschrieben bz w. ausgelesen wird.

Mit dem HOLO NS-Experiment kön-nen Hologramme auf zweierleiWeise ausgelesen werden: zumeinen optisch mit dem Licht eineszweiten Lasers und zum anderenmittels Neutronenstreuung. Der Reizan der Kombination beider Metho-den liegt für die Wissenschaftler dar-in, daß beide Ausleseprozesse vonzwei ganz unterschiedlichen Ve r ä n-derungen der Materialeigenschaftenabhängen. Mit Neutronen werdenÄnderungen in der Materialdichte bisunter ein Promille erfaßt. Licht hinge-gen reagi e rt auf Änderungen derLichtbrechungseigenschaften, die nurzum Teil durch die Dichteänderungb e d i n gt werden. Beide Auslesepro-zesse können an HOLO NS paralleld u r c h g e f ü h rt werden. Darüber hinaus

ist der HOLO NS -Versuchsaufbau da-für ausgerüstet, die Einflüsse äußererParameter auf die Erzeugung vonH o l o grammen zu untersuchen. Ne-ben Lichteigenschaften wie Intensität,Wellenlänge und Polarisation gehö-ren dazu auch die Temperatur desTrägermaterials sowie elektrische undmagnetische Wechselfelder verschie-dener Fr e q u e n z e n .

D i e einfachste holographische Struktur,ein regelmäßiges Gitter, läßt sicheinem Trägermaterial ganz ohne Ve r-wendung eines Objekts einprägen.Derzeit konzentrieren sich die Unter-suchungen der deutschen und öster-reichischen Pa rtner auf längerf r i s t i g eA l t e r u n g s p r ozesse solcher elementa-rer Hologramme in lichtbrechendenPhotopolymeren, insbesondere inPolymethylmethacrylat (PMM A ) .Neben dem Fu n d a m e n t a l gitter gi l tdas besondere Augenmerk der Fo r-scher der Ausbildung von höherenHarmonischen. Dieser Effekt erlaubtes, Strukturen zu erzeugen, die – ob-wohl durch Licht entstanden – demzur Analyse geeigneten kurzwelligenLicht verborgen bleiben, weil dasTrägermaterial es zu stark absorbiert .Weltweit erstmals wurden an HOLO NSd e r a rtige höhere Harmonische einesfundamentalen hologr a p h i s c h enGitters vermessen. Auch der zeitlicheVerlauf der Dichtemodulation beimAufbau eines holographischen Gittersließ sich erstmals direkt messen.

Bereits diese ersten Ergebnisse tra-gen zur Vervollständigung des Mo-dells und somit zum detaillierten Ve r-ständnis der Bildung hologr a p h i s c h e rGitter in PMMA bei. Die Erkenntnissekommen dem Hauptanwendungszielvon HOLO NS zugute: Grundlagen füreine systematische Optimierung vonH e r s t e l l u n g s v e rfahren und Tr ä g e r m a-terialien holographischer Gitter zuschaffen und damit der technischenNutzung der Holographie zur opti-schen Datenspeicherung einen Schrittnäher zu kommen. „Ganz nebenbei“eröffnen sie Möglichkeiten zur Ent-wicklung neuer Neutronenoptikenauf der Basis holographischer Gitter.Solche Bauteile vermögen analog zulichtoptischen Linsen die Neutronen-strahleigenschaften gezielt zu beein-flussen, was wiederum das Spektrumder Erforschung von Materialeigen-schaften mit Neutronen erweitertund auch bei der Geesthachter Neu-t r o n e n - Forschungseinrichtung aufgroßes Interesse stößt.

Materialforschung

Mit HOLONS konnten erstmals Struktureneines holographischen Fundamentalgittersunterhalb der optischen Auflösungsgrenzevermessen werden. Die Abbildung zeigt dieräumliche Intensitätsverteilung eines Neu-tronenstrahls, nachdem er ein elementaresHologramm passiert hat. Deutlich sind diebeiden Maxima der durch das holographischeGitter gestreuten Neutronen zu erkennen, diedurch die erste bzw. zweite Harmonische desGitters erzeugt werden. Die Ergebnisse sindunmittelbar relevant für die Entwicklung vonNeutronenoptiken zur gezielten Beeinflussungvon Neutronenstrahlen.

Liebe Leserin, lieber Le s e r,

der Jahresbericht 19 97/ 1998 liegtvor Ihnen. Wie in den vergangenenJahren begonnen, haben wir auchdiesmal wieder einen Gesamtüber-blick über unsere Forschungs- undEntwicklungsarbeiten und einen besonderen Schwerpunkt gewählt: Die internationale Zusammenarbeitdes Zentrums wandelt sich und ge-winnt neues Gewicht. Gegenübervielen anderen Fo r s c h u n g s e i n r i c h-tungen hatte das GKSS-Fo r s c h u n g s-zentrum von Anbeginn den Vo rt e i lder Herausforderung, in internatio-nalen Kooperationen arbeiten zumüssen – die Entwicklung der Pro-jekte in der Schiffs- und Meeres-technik wäre ohne zahlreiche bilate-rale Kollaborationen mit Pa rtnern inEuropa und in Übersee undenkbarg e w e s e n .

In den vergangen Jahren hat sichder Charakter der Zusammenarbeitgegenüber den großen bilateralenEinzelprojekten deutlich verändert .Heute steht die multilaterale Zusam-menarbeit mit zahlreichen Pa rt n e r nim Rahmen größerer Programme imVo r d e r grund. Es gibt kaum noch eineAktivität, die nicht in Verbindung zuArbeiten internationaler Pa rtner steht.Der BMBF hat diese Entwicklung im-mer gestützt, trotz des unausweichli-chen Spannungsfeldes zwischen derAnforderung, die We t t b e w e r b s f ä h i g-keit der nationalen Wi rtschaft imRahmen der Te c h n o l o gi e f ö r d e r u n gzu stärken, und der gewünschteninternationalen Vernetzung derWissenschaft. So entwickelten sichim Lauf der Zeit neben den zahl-losen europäischen Pa rt n e r s c h a f t e neine Vielzahl stabiler Ko o p e r a t i o n s-b eziehungen zu internationalenPa rtnern mit Schwerpunkten inNord- und Südamerika und demNahen und Fernen Osten.

Eine besonders positive Rolle spielt in unserem europäischen Nahbereichdie Wissenschafts- und Te c h n o l o gi e-förderung durch die EuropäischeUnion. Sie ist von vornherein, zu-nächst sogar in erster Linie auf dieFörderung der Kooperation zwischenmehreren EU-Pa rtnern angelegt. Diesp r ä m i e rt denjenigen, der nicht bilate-ral, sondern in Netzwerken mit meh-reren internationalen Pa rtnern koope-r i e rt. Die rasch ansteigende Zahl vonE U - g e f ö r d e rten Projekten am GKSS-

Stefan Herms, kaufmännischer Geschäftsführer,D r. Günter von Sengbusch, w i s s e n s c h a f t l i ch-technischer Geschäftsführer (von links)


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We l t w e i te Entwicklungsanstren-gungen treiben die Date n s p e i-c h e r d i c h te und die Rechenge-schwindigkeit der elektroni-schen Datenverarbeitung vonRekord zu Rekord. Doch schonh e u te wird an den physikali-schen Grundlagen gänzlichneuer Speichermedien gearbei-tet. Optische Date n v e r a r b e i t u n gist eines der großen te c h n o l o gi-schen Zu k u n f t s f e l d e r, dem sichseit einem Jahr bei GKSS euro-päische Forschergruppen wid-men. An der Geesthachter Neu-t r o n e n - Fo r s c h u n g s e i n r i c h t u n g ,G e NF, wurde eine völlig neuart i-ge Versuchsanlage, HOLO N S ,e r r i c h tet und inte r n a t i o n a l e nNutzergruppen zur Ve rf ü g u n gg e s tellt. Erstmals arbeiten hierNeutronenstreuung und Holo-graphie „Hand in Hand“.

Die Grundlage optischer Datenspei-cherung bilden holographische Ve r-fahren, wie sie erst im Laserzeitaltermöglich wurden. Allerdings hat einemarktfähige holographische Daten-s p e i c h e rtechnik ungleich höhere An-forderungen zu erfüllen, als der Be-trachter eines jener handelsüblichen,räumlich wirkenden Hologr a m m eahnen mag. Ziel ist es, Strukturenmit Speicherdichten von Ta u s e n d e nvon Gigabyte pro Ku b i k z e n t i m e t e rzu erzeugen und verläßlich wiederauslesen zu können. Um Schreib-und Lesetechniken sowie Speicher-materialien daraufhin optimieren zukönnen, müssen die physikalischenMechanismen des Erstellens, Aus-lesens und Alterns eines Hologr a m m sd e t a i l l i e rt verstanden werden.

Um ein Hologramm eines Objektszu erzeugen, wird ein Lichtstrahl inzwei Teilstrahlen aufgeteilt. Der vomObjekt reflektierte Signalstrahl undder Referenzlichtstrahl werden aufeinem Trägermaterial zur Überlage-rung gebracht. Damit im Überlage-rungsfeld Lichtmuster entstehen, die

für das Objekt charakteristisch sind,sind gleichartige, „kohärente“ Licht-strahlen erforderlich, wie sie nur vonLasern erzeugt werden. Bei HOLO NSist ein leistungsstarker Argon-Ionen-Laser implementiert, der im ultravio-letten Spektralbereich emittiert. DasMuster im Laserlichtfeld hinterläßt – wie beim Belichten eines fotogr a f i-schen Films – Strukturen im Tr ä g e r-material: ein Hologramm ist gebo-ren. Je nach Art des Materials wer-den die Strukturen durch lokale Änderungen der chemischen Zu-sammensetzung, der Dichte, deroptischen, elektrischen oder magne-tischen Eigenschaften gebildet. BeiH O LO NS kommen zunächst unvoll-ständig ausgehärtete und lichtemp-findliche Photopolymere zum Ein-

satz, die unter Lichteinwirkung nach-polymerisieren und ihre Dichte undLichtbrechungseigenschaften verän-dern. Bestrahlt man das Materialwiederum mit dem Referenzlicht,läßt sich das erzeugende Lichtfeldrekonstruieren und ein Abbild desObjekts gewinnen.

Obwohl Hologramme durch Lichti n d u z i e rt werden, sind die Unter-suchungsmöglichkeiten der feinenMaterialstrukturen mittels Licht be-schränkt. Neutronen-Kleinwinkelstreu-ung kann diese Schranken überwin-den und ist daher ein ausgez e i c h n e-tes diagnostisches Instrument. Diemeisten Materialien sind für Neutro-nen nahezu transparent, doch in ihrenStreueigenschaften sind Neutronen

Fernziel holographischer Datenspeicher Mit Laserlicht und Neutronen in experimentelles Neuland

Bei HOLONS, der jüngsten Versuchsanlage der Geesthachter Neutronen-Forschungseinrichtung,nutzen europäische Forscher kombiniert Laser- und Neutronenstrahlen. Die Abbildung zeigt dasKernstück von HOLONS, den lichtoptischen Meßplatz, im Probenort der KleinwinkelstreuanlageSANS-2. Meßproben und Optik lassen sich auf hundertstel Grad genau auf den Neutronenstrahlausrichten. Für den zeitweisen Einsatz im Neutronenstrahl ist der empfindliche Meßplatz füreinen „sanften“ Transport zwischen der Vorbereitungskabine und dem Probenort ausgelegt,damit der optische Aufbau nicht dejustiert wird.

Forschungszentrum, die hohe Erf o l g s-quote bei Anträgen und die Ta t s a c h e ,daß das GKSS-Fo r s c h u n g s z e n t r u mbei zahlreichen Projekten die Ko o r-dinationsfunktion hat, sind für unsnicht nur Erfolge in einem We t t b e-werb um Fördermittel: Sie sind an-gesichts von immer treffsichererenAuswahl- und Evaluierungsverf a h r e nder EU sicheres Zeichen für eine sehrgute Position der Arbeiten des GKSS-Forschungszentrums im internatio-nalen wissenschaftlich-technischenWe t t b e w e r b .

Als technologi e o r i e n t i e rtes Zentrumder Helmholtz-Gemeinschaft Deut-scher Forschungszentren sind wira u f g e f o r d e rt, in der Anlage unsererForschungsarbeiten und der Pf l e g eunserer internationalen Bez i e h u n g e nfür einen größeren Kreis unsererPa rtner in Wi rtschaft und Wi s s e n-schaft auch die Dienstleistung desAufbaus und der Gestaltung vonKooperationen zu erbringen. Nebenden erwähnten Ko o r d i n a t i o n s f u n k-tionen für umfangreiche Projekteder EU sollen hier nur beispielhaftdas BALTEX- und das EUR O M A R -Büro und die Kontaktstelle Meeres-forschungstechnik sowie die regel-mäßig für einen breiten Kreis vonInteressenten und Pa rtnern durch-g e f ü h rten Beratungen zur EU-Fo r-schungsförderung genannt werden.

Wesentliches Element der Gestal-tung der europäischen Fo r s c h u n g s-landschaft ist schließlich das Engage-ment von GKSS-Wissenschaftlern inden zahlreichen Gremien der sichauf europäischer Ebene organisie-renden grundlagen- und anwen-d u n g s o r i e n t i e rten Forschung undEntwicklung. So fließen über dieMitarbeit in Gremien der EU zur

P r o grammentwicklung und -beglei-tung die Erfahrungen und strategi-schen Überlegungen des Zentrumswieder unmittelbar in die Fo rt e n t-wicklung der Programme der EUein. Die Mitarbeiterinnen und Mitar-beiter des Zentrums haben die Her-ausforderung, die Möglichkeiteninternationaler Kooperationen zunutzen, engagi e rt und erf o l greich in allen Bereichen und auf allenEbenen angenommen – die Gestal-tung und Nutzung von Progr a m m e nebenso wie das Akzeptieren undUmsetzen von zunächst neuen An-trags- und Abwicklungsverfahren. Andieser Stelle sei allen Beteiligten fürdieses Engagement im Interesse derinternationalen Einbindung desG K S S - Forschungszentrums und dermit uns kooperierenden Pa rt n e rg e d a n k t .

I h r

Günter von Sengbusch

Stefan Herms


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Materialforschung

Aus diesen Erfordernissen leiten sichFragestellungen ab, an denen in derGKSS auf den Gebieten der We r k-stoffphysik, der We r k s t o f f m e c h a n i kund der We r k s t o f f t e c h n o l o gie ge-forscht und entwickelt wird.

Die Ziele sind:

c die Entwicklung neuer We r k s t o f f e ,Herstellungs- und Ve r a r b e i t u n g s-t e c h n o l o gi e n ,

c die Aufklärung von Mechanismenin Werkstoffen und die Modellie-rung der Wechselwirkung vonMikrostruktur und Gebrauchseigen-s c h a f t e n ,

c eine umfassende Bewertung desWerkstoffverhaltens im Bauteil.

Zentrale Bestandteile der Ausstattungim Forschungsschwerpunkt Material-forschung sind der Fo r s c h u n g s r e a k t o rFRG-1, die PulververdüsungsanlagePIGA und eine reichhaltige Palette vonGeräten und Ve rfahren zur Material-prüfung sowie von Einrichtungen fürComputersimulationen. Der Fo r-s c h u n g sreaktor liefert die Neutronen-strahlen für die Mikrostrukturanalysevon Materialien. Im Jahre 19 97 habenca. 50 externe Gruppen die mit demFRG-1 verbundenen experimentellenEinrichtungen genutzt. Die PIGA isteine weltweit einzigartige Pulverver-

düsungsanlage im Pilotmaßstab. Sieist die zentrale Einrichtung für diep u l v e r m e t a l l u r gische Herstellung vonH a l bzeugen und Bauteilen. Integr a l e rBestandteil der anwendungsorientier-ten Forschung ist die Materialprüfungzur Bestimmung von Gebrauchs-eigenschaften an Laborproben undeinzelnen Bauteilen. In zunehmen-dem Maße werden durch Einsatzvon Computermodellen das Material-und Bauteilverhalten simuliert undMikrostrukturen in Werkstoffen fürden jeweiligen Einsatz „maßge-s c h n e i d e rt “ .

Organisatorisch ist dem Fo r s c h u n g s-schwerpunkt eine Arbeitsgruppe zurAnalyse von makromolekularen bio-l o gischen Strukturen zugeordnet, diemit Hilfe der Neutronenstreuung dieStruktur von Ribosomen (eiweißsyn-thetisierenden Zellorganellen) charak-terisieren. Die bisher im Rahmeneiner internationalen Ko o p e r a t i o nerzielten Ergebnisse brachten eineReihe neuer und überraschenderEinblicke in den Aufbau biologi s c h e rMakromoleküle und deren Fu n k t i o nbei der Proteinsynthese.

Die in der GKSS bereitstehendeAusrüstung und die Kompetenz imBereich der Materialforschung bietenbeste Voraussetzungen für erf o l gr e i-che Entwicklungen, die eine Basis fürt e c h n o l o gische Durchbrüche schaf-fen. Um die Marktfähigkeit der hierentstehenden neuen Werkstoffe bz w.Komponenten von vornherein zugewährleisten, werden die Anforde-rungen für Herstellung, Ko n s t r u k t i o nund Qualitätsprofil zusammen mitder Anwenderindustrie zuvor defi-n i e rt und dann in befristeten, präzised e f i n i e rten Projekten realisiert .

Neue Materialien werden die Grund-lagen von Schlüsseltechnologien dernächsten Dekaden sein. Material-forschung ist deshalb ein vorrangi g e sFeld für eine Investition in die Zu-kunft. Bei GKSS wird sie in engerZusammenarbeit mit Hochschulenund Industrie betrieben. Die bisheri-gen Ergebnisse haben einen erstklas-sigen nationalen und internationalenRuf der GKSS-Materialforschungb e gründet. Der Wissenschaftsrat hatin seiner Evaluierung der außeruni-versitären Materialforschung inDeutschland im Jahre 1995 dieAktivitäten der GKSS als beispielhaftherausgestellt. Für die Zukunft wirddie Te c h n o l o giekomponente weitergestärkt, um den Anforderungen derWi rtschaft noch besser gerecht zuwerden. Die im Grundlagenbereicherarbeiteten Fo r s c h u n g s e r g e b n i s s esollen schnell in marktfähige Pro-dukte und Ve rfahren umgesetzt wer-den; kleinere und mittelständischeUnternehmen können im nationalenund internationalen We t t b e w e r bdavon profitieren.

Die Anforderungen an neue We r k-stoffe steigen rasant. Beispielsweisesollen neuartige intermetallischeL e gierungen auf Titanbasis Eigen-schaftsprofile aufweisen, die dieVo rteile von metallischen und kera-mischen Werkstoffen in sich vereinen:einsetzbar bei hohen Te m p e r a t u r e n ,dazu leicht und extrem fest undtrotzdem verformbar und zäh. DieEntwicklung neuer Werkstoffe undihrer Herstellungsverfahren ist jedochnur der erste Schritt. In Bauteilen undAnlagen müssen sie sich als sicherund wirtschaftlich erweisen. Ihre Ei-genschaften hinsichtlich der geplantenEinsatzzwecke und ihrer Ve r a r b e i t u n gmüssen hinreichend genau bekanntsein. Im Laufe der Betriebsdauer ein-tretende Eigenschaftsänderungenmüssen erfaßbar und möglichst vor-hersagbar sein.

Ü b e r b l i c k


I n h a l t

Aus Forschung und Entwicklung

Zahlen, Daten, Fakten

GKSS 6 – 9

Unternehmen Großforschung 6

Forschung in Netzwerken 8

10 – 61

M a t e r i a l f o r s c h u n g 1 2

Ü b e r b l i c k 13Mit Laserlicht und Neutronen zum holographischen Datenspeicher 14Neutronenstreuung zur Strukturaufklärung von Biomolekülen 16Ti t a n a l u m i n i d - Werkstoffe für Hochleistungsgasturbinen 18Nanokristalline Leichtmetallhydride für das abgasfreie Auto 20Von der Werkstoffprüfmethode zur internationalen Norm 22

Trenn- und Umwelttechnik 2 4

Ü b e r b l i c k 25Nanofiltrationsmembranen zur industriellen Speiseölherstellung 26B i o v e rträgliche Membranwerkstoffe für die Medizintechnik 30G ezielte Kohlenhydratproduktion mit Membrantechnik 32Bipolare Membranen in der Neutralisationsprozeßtechnik 34Ve rfahrenstechnik zur Abwassersanierung vor Ort 36Reinigung belasteter Böden mit dem Rohrreaktorverf a h r e n 38

U m w e l t f o r s c h u n g 4 0

Ü b e r b l i c k 41Neuronale Netze entschlüsseln Umweltsatelliten-Daten 4 2Oder-Hochwasserprognostik mit Hilfe von BALT E X 4 8Atmosphärische Schadstoffeinträge in das Ökosystem Ostsee 50Beobachtung polarer Stratosphärenwolken mit Lidart e c h n i k 52Sturm und Seegang im Klimawandel 54

Te c h n i k u m 5 6

F o r s c h u n g s r e a k t o r 60

62 – 88

Organe und Gremien 6 4

Ke n n z a h l e n 70

GKSS und das Umfeld 76

Te c h n o l o g i e z e n t r u m 8 3

Lagepläne – Anschriften 86

I m p r e s s u m 88


Aus Forschung und Entwicklung

Forschungsreaktor

Technikum

Forschung


Trenn- und Umwelttechnik

Werkstofforschung

Umweltforschung

GKSS: Unternehmen Großforschung

Technologie

Nutzung


UnternehmenGroßforschung

gebenheiten einbezieht, wobei dieWissenschaft nur Optionen undB e w e rtungen für gesellschaftspoli-tische Entscheidungen liefern kann.

Die HGF ist bemüht, in denjenigenInnovationsfeldern ihre Ko m p e t e n z e nzu fokussieren, in denen sie mit wis-s e n s c h a f t l i c h - t e c h n o l o gischen Beiträ-gen maßgeblich zur wirt s c h a f t l i c h e nEntwicklung des Landes – und damitzur gesellschaftspolitischen Entwick-lung – beitragen kann. Dazu werdenin diesen Bereichen die Ko m p e t e n-zen der einzelnen HGF-Zentren einer-seits in Verbünden und andererseitsin Strategieprojekten zusammenge-f ü gt. In den Feldern Umwelt, We r k-stoffe und Energie wurden Ve r b ü n d ebereits verwirklicht, die zu einer effi-zienteren Nutzung der vorhandenenForschungskapazitäten geführt haben.

Hierbei ist wieder einmal die kreativeMitarbeit jedes einzelnen Wi s s e n-schaftlers gefordert, der die eigeneKompetenz klar definieren und dieeigene Arbeit flexibel in den Gesamt-p r ozeß einpassen muß. Da der Stel-l e n w e rt der eigenen Arbeit ständigh i n t e rf r a gt wird, entsteht eine geplan-te, kreative Unruhe in der Fo r s c h u n g ,

wobei es nicht in erster Linie darumgehen darf, Erfolg oder Mißerfolg zudokumentieren, sondern Irrwegemöglichst früh zu identifizieren undzu korrigieren. Die Chance für jedeneinzelnen besteht darin, die Stelle imNetzwerk zu identifizieren, an der erseine Kompetenzen bestmöglich ein-bringen und damit zum Erfolg desGesamtprojektes beitragen kann.

GKSS setzt auf Forschung in Informa-tions- und Kompetenznetzwerken in-nerhalb und außerhalb der HGF, inder Europäischen Union und in ver-schiedenen programm- oder projekt-o r i e n t i e rten Netzwerken, wie z.B. das

B A LTEX-Netzwerk, ein Großprojektunter Beteiligung von zehn Ostsee-Anrainerstaaten, ein europäischesNetzwerk für Entwicklung von Ko n-zepten zur Bauteilprüfung und -be-w e rtung bis hin zur Normung undGesetzgebung, das eingebettet ist ineine Vielzahl von EU-Projekten, undein Netzwerk zur Konzeption undNutzung eines neuen Fo r s c h u n g s-satelliten von der Auslegung der In-strumentation bis zur Nutzung durchdie internationale Community, in dasdie Kompetenz der GKSS auf demGebiet der Fernerkundung eingebun-den ist.

In zunehmendem Maße können nurdurch eine nationale und oft auchinternationale, in vielen Fällen sogarweltweite Bündelung von Aktivitätenund Kompetenzen Antworten auf die immer komplexer werdendent e c h n o l o gischen und gesellschafts-politischen Fragestellungen gefundenw e r d e n .

Unser Jahresbericht 19 9 6 / 19 97 hattedie Zusammenarbeit zwischen GKSSund der Wi rtschaft zum Thema. Indiesem Jahr stellen wir die Einbettungder GKSS-Forschung in nationale undinternationale Netzwerke vor, da wirdas Arbeiten in dezentralen v e r n e t z-ten Strukturen als einen Schlüssel fürdie Lösung komplexer Zukunftsauf-gaben ansehen.

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Bis in die achtziger Jahre hinein be-stand Konsens darüber, daß Fo r-schungsergebnisse in jedem Fa l leinen positiven Beitrag für die Ge-sellschaft bedeuten, weil dadurchWissen vermehrt wird. Durch dieseEinschätzung fühlten sich viele Fo r-scher legi t i m i e rt, die Zielstellungenihrer Forschung selbst zu bestim-men und die Ergebnisse durch Pub-likationen in einen öffentlich zu-gänglichen Pool einfließen zu las-sen. Aus diesem Reservoir konntenAnwender in einem mehr oderweniger mühevollen Auslesepro-zeß Ergebnisse herausfiltern, diesich eventuell nach weiteren lang-wierigen Forschungen in Nutzbaresumsetzen ließen. Dieses Ve rf a h r e nist einerseits zeitaufwendig, da po-tentielle Nutzer erst nach erf o l gt e rArbeit davon erfahren, und anderer-seits ineffizient, da die potentiellenNutzer weder in der Definitionspha-se beteiligt sind, noch während derArbeiten eine Rückkopplung ausihrer Sicht einbringen können.

In einer Zeit, da Geschwindigkeit einkritischer Erfolgsfaktor für erf o l gr e i-che Innovationen am Markt gewor-den ist, muß auch die Fo r s c h u n gdieser Tatsache Rechnung tragen,indem die Nutzung der Resultaterechtzeitig abgesichert und eingelei-tet wird. Konsequente Pa t e n t s t r a t e-gien gehören in Fo r s c h u n g s o r g a n i s a-tionen leider noch immer zur eherrühmlichen Ausnahme.

Zeitaufwendige Ve rfahren auch in derForschung stellen im globalen We t t-streit der Te c h n o l o gien einen We t t-bewerbsnachteil dar, und darüberhinaus erzwingen die knapper wer-denden finanziellen Mittel geradez ueine effiziente und gezielte Ve r z a h-nung von sogenannter gr u n d l e g e n-der und strategischer Fo r s c h u n g .

In vielen Fo r s c h u n g s i n s t i t u t i o n e nwerden daher Strukturen entwickelt,die es ermöglichen, den Bedarf derAnwender stärker und direkter alsbisher in die Forschungsarbeiten zu

i n t e grieren, um die Nutzung von Fo r-schungsergebnissen für den Innova-t i o n s p r ozeß zu beschleunigen.

GKSS arbeitet in einer Matrix-Struk-t u r, die es zum Ziel hat, fachspez i-fische Grundlagenforschung in pro-gr a m m o r i e n t i e rten Projekten überFa c h grenzen hinaus nutzbar zu machen. Mit dieser Struktur wirdeine Vernetzung von Ko m p e t e n z e ngeschaffen, mit der auch solcheSystemlösungen gezielt angegangenwerden können, für die wegen ihresKo m p l e x i t ä t s grades über die Abtei-lungs-, Instituts- und Zentrumsgr e n-zen hinaus unterschiedliche Ko m-petenzen zusammengeführt werdenmüssen. Hierzu sind die Mitgliederder Helmholtz-G e m e i n s c h a f tDeutscher Forschungszentren, derH G F, in besonderem Maß aufgefor-d e rt, da sie die Kompetenz für kom-plexe Systemlösungen auf ihreFahnen geschrieben haben. GKSShat mit ihrer Matrix-Struktur eineVo r r e i t e rfunktion übernommmen, dadiese eine lückenlose Anpassung anexterne kompetenz- und progr a m m-o r i e n t i e rte Netzwerke ermöglicht.

Der Nutzen von Einzelforschungser-gebnissen, die heute über Datenban-ken, Internet und WWW jedem Inter-e s s i e rten praktisch „on line“ zugäng-lich sind, wird von der Gesellschaftzunehmend infrage gestellt. Statt-dessen werden Antworten auf kom-plexe Herausforderungen der Gesell-schaft und des globalen Innovations-p r ozesses erwartet, die sich nicht einmal mehr auf rein naturwissen-schaftliche, medizinische, wirt s c h a f t-liche oder sozialökonomische Gebie-te reduzieren lassen. Biotechnologi e ,Klimaforschung, Energie- und Infor-m a t i o n s t e c h n o l o gien sind Beispielefür Innovationsfelder, die sich im glo-balen Wettstreit entwickeln. Die Wi s-senschaft ist daher aufgefordert, eineneue Ebene von Ko m p e t e n z - N e t z-werken, die jeweils spezifisch auf dieProblemstellung ausgerichtet ist, zuerproben und zu praktizieren.

GKSS baut z.B. seit einigen Jahren in der Umweltforschung ein euro-päisches Netzwerk verschiedenerFachkompetenzen für den Bereich„Coastal Zone Management“ auf.Ziel ist es, Konzepte zu entwickeln,in denen den Nutzern der Kü s t e n-r e gionen (Fischerei, Landwirt s c h a f t ,Handel, Tourismus, Industrie u.a.)ein nachhaltiges Wi rtschaften er-möglicht wird, so daß für die kom-menden Generationen die Gesamt-heit der Ressourcen erhalten bleibt.Diese Zielsetzung erf o r d e rt eineholistische Vorgehensweise, die diei n t e gr i e rte Fachkompetenz von deninterdisziplinären Naturwissenschaf-ten über Ökonomie, Ökologie, So-z i o l o gie bis hin zu juristischen Ge-

Forschung in Netzwerken


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Mit dem Ziel, einen inte r n a t i o-nalen Zukunftsmarkt zu er-schließen, bündelt GKSS dasKnow-How vierer renommierte rFo r s c h u n g s i n s t i t u te und einesH i g h -Te c h - I n d u s t r i e u n te r n e h-mens. Für Pflanzen ist es Rou-tine, aus kleinen Zu c k e r m o l e-külen enzymatisch speziellePo l y s a c c h a r i d - R i e s e n m o l e k ü l ezu synthetisieren. Den ausge-k l ü g e l ten Reaktionsgang ver-f a h r e n s technisch im industriel-len Maßstab nachzubilden, isteine Herausforderung an Gen-technik, Membranforschung und biochemische Analytik. Als Funktionswerkstoffe, fürBiosensoren, zur Krebstherapie– die in der Natur äußerst rarenlangkettigen Kohlenhydrate finden vielfältige Anwendungenin Technik und Medizin.

Wenn die Dahlie nach der Wi n t e r-pause aus dem Boden „schießt“, soverdankt sie diese Fähigkeit der Po l y-s a c c h a r i d - Synthese. Vor allem Knol-lenpflanzen, wie auch die vom mit-teleuropäischen Mittagstisch nichtwegzudenkende Kartoffel, betreiben

auf diese Weise eine sinnreicheNährstoffbevorratung. In den erstenwarmen Frühlingstagen werden aufdie Polysaccharid-Depots spaltendeEnzyme angesetzt, die aus den langkettigen Kohlenhydraten große Mengen an Zucker zurückgewinnen.Dieser kurzkettige Energieträger be-s c h l e u n i gt das Wachstum enorm.

Die in der Natur im Gegensatz zurK a rtoffelstärke nur in geringen Men-gen vorhandenen anderen Riesen-Kohlenhydrate finden vielfältigenEinsatz als biologisch abbaubareFunktionswerkstoffe, zur homogenenund defektstellenfreien Beschichtungbeispielsweise bei Biosensoren, alsHydrogele in der Biotechnologie undMedizin, zur Komplexierung von Aro-mastoffen und Arzneimitteln, zurVerbesserung der Blutvert r ä g l i c h k e i t– zum Beispiel bei der künstlichenNiere – und sogar zur Krebstherapie:Ein Ziel der GKSS-Arbeiten ist es,bereits ansatzweise bekannte Mög-lichkeiten der sanften Krebstherapiemit den zu synthetisierenden Po l y-sacchariden weiter zu erforschen. Ein enormer Weltmarkt für Po l y-z u c k e r, insbesondere solche, die in der Natur nicht vorhanden sind,eröffnet sich. Viele neue Einsatzge-biete werden sich mit ihrer Ve rf ü g-barkeit überhaupt erst erschließen.

In einem vom Bundesforschungs-ministerium geförderten Ve r b u n d-projekt wird das zukunftsträchtigeKonzept gemeinsam umgesetzt. Am Max-Planck-Institut für Moleku-lare Pf l a n z e n p h y s i o l o gie bei Po t sd a m

Winzige Reaktoren für Riesenwachstum:Membrantechnik produziert gezielt Ko h l e n h y d r a t e

Eine Meisterin in der Polysaccharid-Synthese: die Ka k t u s - D a h l i e .

Schematische Darstellung der Inulin-Synthese in den Poren einer Enzymmembran.

R i b o n u k l e o p r o t e i n - Komplex für dieNeutronenstreuung zu präparieren.

In der Regel reichen die beschriebenPräparationsweisen aus, um Markie-rungen einzubauen, die später imNeutronenstrahl einen ausreichen-den Streukontrast erzeugen. Sind diem a r k i e rten Bereiche im Ve r g l e i c hzum Ribosom jedoch sehr klein oderweichen sie in ihrem Streuverhaltennur wenig vom dem des unmarkier-ten Restribosoms ab, muß man siemit aufwendiger Technik „aufhellen“.Besonders intensiv ist die Streuungnämlich, wenn die Rotationsachsedes Neutrons die gleiche oder dieentgegengesetzte Richtung aufweistwie die des streuenden Wa s s e r s t o f f -bz w. Deuterium-Atomkerns.

Normalerweise sind diese sogenann-ten Spins zufallsverteilt, doch dasläßt sich ändern. Neutronen lassensich relativ einfach ausrichten, polari-sieren, indem man sie an einerS p i e g e l o b e rfläche reflektieren läßt.Ungleich aufwendiger ist es, Wa s s e r-s t o f f - Kernspins zu polarisieren. Dazuwurde bei GKSS ein Probenort auf-gebaut, der ursprünglich am CERNbei Genf, Schweiz, für Hochenergi e-physik-Experimente entwickelt wurde.Kernstück ist ein von Kryoexpert e ns p eziell für die Neutronenstreuungumgebauter 3H e /4H e - M i s c h u n g s-kryostat, in dem die Ribosome bis

fast auf den absoluten Te m p e r a t u r-nullpunkt abgekühlt werden. EinMagnetfeld, etwa 10 000mal stärkerals das der Erde, wird eingeschaltet.Bestrahlt man die Probe nun mitMikrowellen einer bestimmten Fr e-quenz, so richten sich die Wa s s e r-s t o f f - Kernspins vorzugsweise paralleloder antiparallel zu dem äußerenMagnetfeld aus. Die Polarisation derKernspins wird mit einem Ke r n s p i n-resonanz- (NMR-) System vermes-sen. An dessen Optimierung undWeiterentwicklung arbeitet GKSSgemeinsam mit dem Paul ScherrerInstitut (PSI) in Villingen, Schweiz.

Die gewonnenen Streubilder werdenanhand eines elektronenmikroskopi-schen Modells des Ribosoms analy-s i e rt und die Stelle im Ribosom aus-findig gemacht, an der sich die Mar-kierung befindet. Zwei Proteine imGesamtribosom sowie eine Reihevon Proteinen der großen Unterein-heit des Ribosoms konnten mit die-ser Methode bereits lokalisiert wer-den. Daraus kann eine dreidimensio-nale Karte der Untereinheit konstru-i e rt werden, mit deren Hilfe dieFunktion und die Struktur einzelnerribosomaler Komponenten erklärtwerden kann. Die Proteine im Ge-samtribosom werden als Bez u g s-punkte gebraucht, um Bewegungeninnerhalb des Ribosoms vermessenzu können.

Das bisher wichtigste Projekt war dieLokalisierung der für die Proteinsyn-these maßgeblichen tRNA- undm RNA-Moleküle. Die mRNA ist dieKopie eines Gens, die als Bauanlei-tung dient. tRNA-Moleküle sind dasBindeglied zwischen den als Protein-bausteinen fungierenden Amino-säuren und der Bauanleitung, derm RNA. Diese Moleküle konnten mitHilfe der Neutronenstreuung erst-mals im Inneren des Ribosoms„sichtbar“ gemacht werden.

Auch für zukünftige Projekte wird dieinterdisziplinäre Zusammenarbeitzwischen Biologie, Neutronenstreu-ung, NMR- und Ti e f t e m p e r a t u r p h y s i kb e n ö t i gt, um Einblicke in biologi s c h eAbläufe zu bekommen. Beispiels-

weise soll die Frage beantwort e twerden, an welcher Stelle die vonden Ribosomen hergestellte neueProteinkette das Ribosom verläßt.Diese Kette wird in der Regel vonHelfermolekülen in ihre späterefunktionsfähige Struktur gefaltet.Auch diese Helfermoleküle habeneinen komplizierten Aufbau, undihre Funktionsweise ist noch nichtvöllig verstanden.

Schritt für Schritt wird so durch inter-disziplinäre und internationale Zu-sammenarbeit das Verständnis füreine wichtige Funktion des lebendenOrganismus’ erweitert: den kompli-z i e rten Mechanismus der Protein-p r o d u k t i o n .

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Kernstück der Kleinwinkelstreuanlage ist dassogenannte polarisierte Target, eine tiefgefro-rene Probe, deren Kernspins bezüglich einesäußeren Magnetfeldes ausgerichtet sind. Diepolarisierten Neutronen erreichen über einevakuiertes Rohr die Probe zwischen denPolschuhen des Elektromagneten.

Mit der polarisationsabhängigen Neutronen-streuung konnten bisher die Positionen vonfünf Proteinen (L1 bis L4 und L24) der großenUntereinheit des Ribosoms bestimmt werden.Das Protein L2 ist von besonderer Bedeutung,da ihm vermutlich eine wesentliche Rolle bei der Verknüpfung der Proteinbausteine(Aminosäuren) zukommt.

Materialforschung


zu sichern. Die notwendigen Ko-operationen wurden im Bereich derGrundlagenforschung auf internatio-naler Ebene (Zusammenarbeit mitDonau-Universität Krems, Strathclyde-Universität Glasgow, UniversitätPatras, Akademie der Wi s s e n s c h a f t e nBulgariens, Sofia) aufgebaut, wohin-gegen der industrielle Bereich insbe-sondere in Deutschland ansässigeFirmen (Fresenius Medical CareDeutschland, Gambro Dialysatoren,Akzo-Nobel) integr i e rt.

Ein typisches Beispiel für eine Bio-materialanwendung zur Blutreinigungstellt die künstliche Niere dar, die alsB l u t e n t giftungstherapie das Überlebenvon weltweit etwa 800 000 behan-delter Patienten sicherstellt; der Be-h a n d l u n g s b e d a rf ist dagegen weit hö-her (ca. 3 Millionen Patienten). Derderzeit verfügbare Fundus an Mem-branmaterialien ist bestens geeignet,eine adäquate Dialyse über einenZeitraum von zwei bis fünf Jahren zugarantieren. Eine Langzeitdialyse er-f o r d e rt jedoch, um dialysebedingt eKomplikationen zu vermeiden, einebessere Entfernung sogenannterMittelmoleküle – Proteine mit einerMolmasse von zehn bis 30 Kilodaltonwie Beta-2-Mikroglobulin und insbe-sondere toxinfreie Dialysate – wasallein mittels Membrantechnik gegen-w ä rtig nicht garantiert werden kann.

Für diese Anwendungen befindensich bei GKSS Adsorbermaterialienauf Basis von Nano- bz w. Mikropar-tikeln in der Entwicklung, mittelsderer diese Stoffe relativ selektiv undmit vertretbarem Aufwand aus Blutbz w. Dialysat sicher entfernt werdenkönnen. Die präklinischen Tests erf o l-gen in der Donau-Universität Krems.Diese Entwicklungen schaffen guteVoraussetzungen, Deutschlands füh-rende Marktposition bei Dialysehilfs-mitteln auch in Zukunft zu sichern.

Trotz der Erfolge und des beachtens-w e rten Anwendungsumfangs ist dasLeistungsvermögen dieser künstli-chen „Organe“ der Funktion desnatürlichen Organs bei weitemunterlegen. Das künstliche Organkann die Entgiftungsfunktion nurz e i t b e grenzt (passive Funktion) auf-rechterhalten. Eine Therapie, die dieFunktion des erkrankten Organsohne Zeitbegrenzung unterstütztbz w. vollständig aufrecht erhaltensoll, erf o r d e rt eine aktive Fu n k t i o n ,die beim heutigen Entwicklungsstandnur mittels lebender Zellen realisiertwerden kann. Mit den wachsendenKenntnissen zur Funktion von Zellenund deren Besiedlung auf Tr ä g e r-materialien mit Membranfunktionsowie zu den Wechselwirkungen derZellen mit Materialoberflächen liegtdie Idee nahe, dieses Wissen zumAufbau organähnlicher Biohybrid-reaktoren zu nutzen. Sie könntendann die Funktion des erkranktenOrgans voll ersetzen. Auch wenn

die Wissenschaft trotz intensiver Forschungsarbeiten von diesemWunschziel noch weit entfernt ist,sind erste Erfolge mit derart i g e nSystemen beachtenswerte Zeichenfür die Entwicklung einer neuenGeneration von Blutentgi f t u n g s-systemen.

D e r a rtige Entwicklungen von Bio-hybridsystemen wurden und werdenbei GKSS im Rahmen von DFG-Pro-jekten (gemeinsam mit der Akademieder Wissenschaften, Bulgarien) so-wie im GKSS-Hochschulprogr a m m(mit der FU Berlin) untersucht undwerden auch Gegenstand eines 19 9 8b e ginnenden EU-Projektes (zusam-men mit FU Berlin, Universität Pa t r a s ,Strathclyde-Universität Glasgow, Fresenius Medical Care, Holland Bio-material Group) sein. Zellfreundlichf u n k t i o n a l i s i e rte Hohlmembranenentsprechenden Trennprofils, die dieZelle nicht als körperfremdes Mate-rial erkennt, sollten ideale Träger fürBiohybridsysteme darstellen. DieserWunschvorstellung Schritt um Schrittnäher zu kommen, läßt hoffen, daßdie Funktionsfähigkeit zukünftigerkünstlicher Organe denen der na-türlichen Organe sehr nahe kommt.Die Patienten werden die Nutzer derFo rtschritte dieser Biomaterialfor-schung sein.

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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Nanopartikelschicht.

Trenn- undUmwelttechnik

N i e r e n e p i t h e l - Zellschicht auf einer Polyacrylnitril-Membran

K o s tengünstig und umweltscho-nend sollen sie sein, die Ener-gie- und Ve r k e h r s techniken derZukunft. Angesichts der unge-heuren Energiemengen, dieweltweit durch Gasturbinen undMotoren in Industrie und Flug-w i rtschaft umgesetzt werden,kann beispielsweise eine Ge-wichtsreduktion der Ve r d i c h te r -Laufschaufeln drastische Ein-sparungen bewirken. Doch dieseB a u teile müssen hochfest undhitzebeständig sein. Mit der Ent-wicklung neuartiger Ti t a n a l u-m i n i d - L e gierungen nimmt GKSSam globalen Wettbewerb umhohes Marktpotential teil. Ums i c h e r z u s tellen, daß die Mate r i-alien den hohen Anforderungenim Betrieb genügen können,holt GKSS in einer breitangeleg-ten nationalen und inte r n a t i o-nalen Fo r s c h u n g s k o o p e r a t i o nForschung, Hersteller und An-wender an einen Ti s c h .

Je höher die Temperatur ist, mit derdas Gas in eine Turbine einströmt,desto größer ist der Wi r k u n g s gr a dder Turbine und umso vollständigerund damit rückstandsärmer ist dieVerbrennung. Um etwa 300 °C konn-te die Gaseintrittstemperatur in Flug-z e u gturbinen in den vergangenendreißig Jahren erhöht werden, wasganz wesentlich durch die Entwick-lung von hochfesten und temperatur-beständigen Nickel- und Eisen-Super-l e gierungen ermöglicht wurde.

Allerdings scheint das Entwicklungs-potential dieser sehr schweren Ma-terialien weitgehend ausgeschöpft zusein. Moderne Designkonzepte fürF l u g z e u gturbinen und stationäreE n e r gieerzeugungsanlagen setzenauf massesparende Bauteilkonstruk-tionen und damit auf leichte We r k-stoffe, verlangen aber vergleichbareZuverlässigkeit auch bei Te m p e r a-turen über 700 °C.

GKSS treibt seit mehreren Jahrendie Entwicklung neuer Hochtem-peraturwerkstoffe auf Ti t a n a l u m i n i d -Basis voran. Mit ihrem geringen s p ezifischen Gewicht von etwa vierGramm pro Kubikzentimeter sinddiese intermetallischen Legi e r u n g e nzwischen 500 und 700 °C einsetz-b a r, wo heute noch die doppelt soschweren Nickel- und Eisen-Super-l e gierungen zur Anwendung kom-men müssen. Gleichzeitig läßt sichdiesen Materialien außerordentlichhohe Festigkeit und strukturelleStabilität verleihen.

Angesichts des überragenden Markt-potentials wird seit etwa zehn Jah-ren weltweit die Entwicklung vonTitanaluminiden intensiv vorangetrie-ben. Während Tests an Prototyp-Bauteilen unter betriebsrelevantenBedingungen belegen, daß zweipha-sige titanreiche Legierungen die von

technischer Seite geforderte Zug-festigkeit und Schadenstoleranz er-reichen, lassen Raumtemperatur-und Hochtemperatur-Festigkeit ober-halb von 700 °C zu wünschen übrig.G e g e n w ä rtig zielen die Anstrengun-gen auf eine Optimierung lamellen-a rtiger Gefüge. Diesen Ansatz ver-f o l gt auch GKSS mit ihren von derdeutschen Industrie bereits zur Bau-teilherstellung bz w. -prüfung verwen-deten Ti t a n a l u m i n i d - L e gi e r u n g e n .

Ve r a n t w o rtlich für die Festigkeit undstrukturelle Stabilität der Ti t a n a l u-minide sind vor allem starke chemi-sche Bindungen und besondere Ge-fügestrukturen. Im atomaren Maß-stab hat eine moderne zweiphasigeTi t a n a l u m i n i d - L e gierung ein lamel-l e n a rtiges Gefüge mit zahlreicheninneren Grenzflächen, durch dieVe rformungs- und Bruchvorgängek o n t r o l l i e rt beeinflußt werden kön-

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Alles dreht sich um TitanaluminideNeue Leichtbauwerkstoffe für Hochleistungsgasturbinen

Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie kommt man den Versagensmechanismen von Bauteilen ausneuen Titanaluminid-Legierungen auf die Spur.


Die stetig steigende durchschnitt-liche Lebenserwartung des Men-schen wird ganz wesentlich durcheine immer bessere und inte n s i-vere medizinische Betreuung er-reicht. Ganz selbstverständlichnehmen hierbei Pa t i e n ten undMediziner Materialien in An-spruch, die die Medizinte c h n i kb e r e i t s tellt. Wohl jeder kann vonsich behaupten, Nutzer von Bio-m a terialien zu sein, wie z.B.zahnmedizinischer We r k s t o f f e .Fo rt s c h r i t te in der Medizin undC h i r u r gie hängen eng mit derEntwicklung von Biomate r i a l i e nzusammen. Arzt und Patient sindhierbei das Endglied einer oftl a n gwierigen, teuren und risiko-reichen Entwicklungskette. NeueWerkstoffe und neue Herste l-l u n g s techniken initiieren völligneue Möglichkeiten der Th e r a p i eund führen zu neuen Märkten fürdie herstellende Industrie.

Vor diesem Hintergrund des stetigwachsenden Marktes an Biomateri-alien – gegenwärtig werden weltweitca. 129 Milliarden Mark pro Jahr um-gesetzt – und der Notwendigkeit,durch Neuentwicklungen neue Th e r a-piemöglichkeiten zu erschließen,wurden von GKSS bereits 1995 dieAktivitäten zur Biomaterialentwick-lung zu einem Th e m e n s c h w e r p u n k tzusammengefaßt. Die vielfältigenAnwendungsgebiete und daraus fol-gende Spezifika sowie teure und auf-wendige Untersuchungstechnikenzwingen zur Konzentration auf einAnwendungsgebiet.

Mit der extrakorporalen Blutentgi f t u n gwurde, national mit den Ko m p e t e n z-zentren und dem Bioregi o - P r o gr a m mabgestimmt, ein Aufgabengebiet aus-gewählt, das traditionell bereits bear-beitet wurde. Es ist von außerordent-lichem kommerziellen Interesse undweist hohe Wachstumsraten auf.Zudem konnte auf die von GKSSerarbeiteten Fo r s c h u n g s e r g e b n i s s esowohl bei der Herstellung von

Membranen als auch bei deren technischer Anwendung für Bioma-terialien aufgebaut werden. Nichtzuletzt existieren für diesen Anwen-dungsfall keine technischen Alterna-tiven, die mit den auf Membranenbasierenden Ve rfahren konkurrierenkönnten.

Eine Grundvoraussetzung für dieBiomaterialentwicklung ist eine in-terdisziplinäre Zusammenarbeitunterschiedlicher Fachgebiete wieChemie, Physik, Biologie, Material-wissenschaft, Ve rf a h r e n s t e c h n i k ,Konstruktion und Medizin, die injedem einzelnen Projekt zielgerichtetzusammenwirken müssen, um dasspätere Einsatzrisiko komplex zu betrachten und soweit wie möglichzu reduzieren. Trotz bester Vo r a u s-setzungen bei GKSS bedingt die Bio-materialforschung dennoch, recht-zeitig eine Brücke zu klinischen Pa rtnern und zur biomedizinischenIndustrie herzustellen, um eine spätere Einführung des entwickeltenBiomaterials in die klinische Praxis

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Membranwerkstoffe für den menschlichen Kö r p e r :Biomaterialien in der Medizintechnik

Faser-in-Faser-Biohybridreaktor (demontiert)

Durchführung eines Assays zur Bestimmung des Ze l l w a c h s t u m s .

nen. Durch gezielte Ve r ä n d e r u n g e nim Gefüge lassen sich auf diese We is egute Bruchzähigkeiten und für An-wendungen unterhalb von 700 °Cauch ausreichende Kriechfestigkei-ten erzielen. Insbesondere im Hin-blick auf die Hochtemperaturf e s t i g-keit scheinen die Möglichkeiten derGefügeoptimierung allerdings ausge-reizt zu sein. Gerade dieser Eigen-schaft kommt heute besondere Be-deutung zu, denn künftige Industrie-gasturbinen sollen bei Te m p e r a t u r e noberhalb von 700 °C betrieben wer-den. Jüngste elektronenmikroskopi-sche und mikroanalytische GKSS-Untersuchungen der Ve r s a g e n s m e-chanismen von Bauteilen deutend a r a u f, daß atomare Defekte, diedurch das Kristallgitter des Materialsdiffundieren, maßgeblich zu Gefüge-instabilitäten bei hohen Te m p e r a t u-ren führen. Abhilfe verspricht sichGKSS hier vom gezielten Einsatz vonDotierungselementen (wie Niob,Chrom, Mangan, Silizium, Ko h l e n-s t o f f, Bor), die als Fremdatome immetallischen Gitter die Materialei-genschaften graduell beeinflussen.

Die neue Generation von Ti t a n a l u-m i n i d - L e gierungen wird erheblicheÄnderungen der herkömmlichenH e r s t e l l u n g s p r ozesse erfordern, dieden für Anwender unabdingbarenhohen Anforderungen an die Fe s t i g-keit und die Zuverlässigkeit von Bau-teilen Rechnung tragen. Im Zusam-menhang mit diesen Proz e ß t e c h n i-ken werden bei GKSS ebenfallsu m f a n greiche Entwicklungen betrie-

ben, die derzeit in ein BMBF - P r o j e k teingebunden sind. Auf dieser Grund-lage konnten beispielsweise durchneue Umformtechniken Halbz e u g eund Bauteile aus diesen Legi e r u n-gen vergleichsweise kostengünstighergestellt werden.

Damit alle wichtigen Aspekte derL e gierungsentwicklung bis hin zurB a u t e i l f e rtigung berücksichtigt wer-den, ist an der GKSS-Entwicklungvon Titanaluminiden für Flugzeug-t u r b i n e n - Kompressorschaufeln einForschungs- und Industriekonglo-merat sehr unterschiedlicher wis-senschaftlicher und technischer Disziplinen beteiligt. GKSS obliegen Herstellung, Optimierung und Cha-rakterisierung der Legierung. Im Rah-men von Projekten zur Aufklärungvon Versagensmechanismen, die län-g e rfristig von der Deutschen Fo r-schungsgemeinschaft gefördert wer-den und deren Ergebnisse die Grund-lage für eine gezielte Legi e r u n g s-optimierung bilden, sind die Institutefür Metallphysik der UniversitätenMünster und Göttingen sowie dieM ax-Planck-Institute in Stuttgart(Materialforschung), Düsseldorf(Eisenforschung) und Halle (Mikro-s t r u k t u rforschung) einbezogen. Diefür die Bauteilfertigung im industriel-len Maßstab erforderlichen Hochtem-p e r a t u r - U m f o r m p r ozesse bei Te m-peraturen deutlich oberhalb von1000 °C erfordern aufwendige gr o ß-technische Anlagen und werden inKooperation mit der Firma Th y s s e nUmformtechnik, Remscheid, und derTechnischen Universität Berlin durch-g e f ü h rt. Auch das Gesenkschmiedender primär umgeformten Halbz e u g ezu Turbinenschaufeln erf o l gt bei derFirma Thyssen. Die anschließendenmechanischen Bauteiltests führt dieFirma BMW-Rolls Royce, Oberursel,in eigens akkreditierten Labors durch.Weiterhin beteiligt sind die FirmaPlansee, Österreich, die Kyoto Uni-versität, Japan, und UES Inc., US A .Außerdem bestehen Zusammenarbei-ten mit den Technischen Universitä-ten Hamburg-Harburg und Clausthal.

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Materialforschung

Rißausbreitung im lamellaren Gefüge einerzweiphasigen Titanaluminid-Legierung. DerRiß wird an den lamellaren Grenzflächen ab-gelenkt und schließlich immobilisiert. Vor derRißspitze bildet sich durch lokale Ve r f o r m u n geine plastische Zone aus. Beide Vorgänge be-hindern die Rißausbreitung und resultieren inder hohen Bruchzähigkeit des Materials.

Ko m p r e s s o r - Laufschaufeln für Flugzeug-turbinen, die aus einer bei GKSS entwickeltenT i t a n a l u m i n i d - Legierung durch isothermesGesenkschmieden bei der Firma Thyssen Um-formtechnik, Remscheid, hergestellt wurden.



Membranziehmaschine für die Herstellungvon Tr ä g e r m e m b r a n e n .

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Vor dem Hintergrund zunehmen-der Umweltbelastung und demAbbau fossiler Brennstoffreser-ven ist die Ausarbeitung neuerE n e r gi e k o n z e p te essentiell fürdie Industriegesellschaft der Zu-kunft. Erneuerbare Energi e t r ä g e rmüssen an die Stelle fossilerBrennstoffe treten, durch derenVerbrennung Kohlendioxid ent-s teht, das als Treibhausgas maß-geblich an der Erwärmung derErdatmosphäre bete i l i gt ist. We-gen der globalen Bedeutungwird auf internationaler Ebenenach Lösungen gesucht. Primär-e n e r gie aus erneuerbaren Res-sourcen läßt sich koste n g ü n s t i gund effizient in besonderen Re-gionen erzeugen: z.B. Solarener-gie in der Sahara oder Energi eaus Wasserkraftwerken in Skan-dinavien oder Kanada. Die größ-ten Energieverbraucher befindensich allerdings zum Teil weit ent-fernt von diesen Standorten. Derideale Energieträger für denTr a n s p o rt und die umweltfreund-liche Umwandlung von Energi eist Wasserstoff. Er ist mit Hilfeelektrischer Energie aus Wa s s e rh e r z u s tellen. Da bei seiner Rück-umwandlung in Energie, z.B. mitHilfe von Brennstoffzellen, wie-derum ausschließlich Wa s s e r-dampf entsteht, ergibt sich ins-gesamt ein geschlossener Ener-giekreislauf ohne Umweltbe-lastungen. Durch diesen idealenE n e r gieträger wird es möglich,elektrische Energie in bestimm-ten Teilen der Welt zu produzie-ren und in andere Länder zut r a n s p o rt i e r e n .

In diesem Zusammenhang stellt ge-g e n w ä rtig die Speicherung des Wa s-serstoffs eine der größten Herausfor-derungen für Entwickler und Wi s s e n-schaftler dar. Grundsätzlich bietensich drei mögliche Alternativen:

c d i e g a s f ö r m i g e S p e i c h e r u n g i nD r u c k b e h ä l t e r n ,

c d i e Ve rf l ü s s i g u n g v o n Wa s s e r s t o f fund Speicherung in gekühlten S p ez i a l b e h ä l t e r n ,

c d i e S p e i c h e r u n g i n f e s t e r Fo r m a l sM e t a l l h y d r i d .

Die gasförmige Speicherung in Druck-behältern ist vergleichsweise einfach,e rf o r d e rt allerdings einen relativ ho-hen Energieaufwand für die Ve r d i c h-tung und hat den Nachteil eines ho-hen Raumbedarfs. Flüssiger Wa s s e r-stoff beansprucht ein deutlich gerin-geres Volumen, allerdings geht rundein Drittel des Energiegehalts für dieVe rflüssigung verloren, für die eineKühlung auf minus 253 °C erf o r d e r-lich ist. Weiterhin sind die Handha-bung von flüssigem Wa s s e r s t o f f, dieentsprechende Kältetechnik sowiedas Tankdesign aufwendig und kost-

spielig. Da Brennstoffzellen bei einerTemperatur von etwa 150 °C be-trieben werden, ist eine zusätzlicheErwärmung des Wasserstoffs nachder Entnahme aus dem Speichert a n kn o t w e n d i g .

Neben stationären Anwendungen ingrößeren Industriebetrieben ist ins-besondere an den Einsatz von Wa s-serstoff in der Verkehrstechnik ge-dacht, z.B. für das emissionsfreie Au-tomobil. Hierfür sind sowohl gasför-mige als auch flüssige Speicherungsicherheitstechnisch bedenklich, weilder Tank bei einem Unfall aufreißenund Wasserstoff unkontrolliert freige-setzt werden könnte.

Demgegenüber bietet eine Speiche-rung in fester Form als Metallhydridein großes Sicherheitspotential. Da-bei geht der Wasserstoff eine chemi-

Für das abgasfreie Auto:Nanokristalline Leichtmetallhydride speichern Wa s s e r s t o f f

Zur Bestimmung der Wa s s e r s t o f f -Sorptionseigenschaften wird eine speziell entwickelteApparatur eingesetzt, die es erlaubt, die schnelle Be- und Entladekinetik zu bestimmen.


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Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Kompositmembran. Deutlich zu erkennen sinddie poröse Trägermembran und die selektive Tr e n n s c h i c h t .

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Die von GKSS entwickelten Mem-branen sind Dünnfilm-Ko m p o s i t-membranen, die aus drei Schichtenbestehen: Die unterste Schicht ist einindustriell gefert i gtes Vlies, das alsUnterlage für die zweite Schicht, diemikroporöse Trägermembran, dient.Der größte Teil dieser Membranbesteht aus einer porösen Struktur,deren Po r e n größe zur Oberf l ä c h ehin abnimmt. Der Po r e n d u r c h m e s s e ran der Oberfläche bestimmt dieDicke der dritten Schicht, der selekti-ven Trennschicht, und sollte deshalbmöglichst klein sein. Im Idealfall wirddie Trennleistung einer solchenD ü n n f i l m - Kompositmembran nurdurch die Eigenschaften der Tr e n n-schicht bestimmt, während dieTrägermembran keinen Einfluß aufTr a n s p o rt und Trennung hat. DerVo rteil dieser Membranen ist, daß fürTrägermembran und Tr e n n s c h i c h tunterschiedliche Polymere verwen-det werden können. So werdenTrägermembranen zumeist aus kom-merziell verfügbaren und damitkostengünstigen Polymeren herge-stellt, während nur geringe Mengender oft teureren Spezialpolymere fürdie Trennschicht benötigt werden.

Das Auftragen der Trennschicht er-f o l gt durch Dip-Coating, eine Metho-de, mit der sehr dünne Schichtenhergestellt werden können. DasPolymer für die Trennschicht wird ineinem geeigneten Lösemittel gelöstund filtriert, da schon kleinste Pa rt i-kel in der Lösung zu Defekten in derTrennschicht führen können. DieseLösung wird in die Beschichtungs-wanne gefüllt und in Kontakt mit derO b e rfläche gebracht. Beim Ve r l a s s e ndes Beschichtungsbades bleibt eindünner Film der Lösung an derTrägermembran haften. Durch Ab-dampfen des Lösemittels wird dasgelöste Polymer fest und bildet dieTrennschicht der Kompositmembran.

Für das System Rapsöl/Hexan fiel dieWahl für die Trägermembran auf Po l y-vinylidenfluorid (PVDF). Diese Mem-bran wurde mit einem etwa zehnMikrometer dicken Silikongummiüber-zug versehen. Da Hexan ein bevor-

z u gtes Lösemittel für Silikongummiist, muß dieser so verändert werden,daß er sich nicht mehr in Hexan löst.Eine Möglichkeit ist die chemischeVernetzung, bei der durch Zugabevon Vernetzungsmittel und Katalysa-tor eine chemische Reaktion abläuft.Da mit dieser Methode nicht allemöglichen Verknüpfungen erreichtwerden, kann zusätzlich eine strah-lenchemische Behandlung des Sili-kongummis durchgeführt werden.Die Bestrahlung mit Niedrigenergi e-elektronen führt zur Vernetzung nochfreier Verknüpfungspunkte in Abhän-gigkeit von der Bestrahlungsdosis.Generell bedingt ein hoher Ve r n e t-z u n g s grad eine verbesserte Stabilitätgegenüber dem ehemaligen Löse-mittel Hexan. Gleichzeitig wirkt sichder Ve r n e t z u n g s grad aber auch aufdas Trennvermögen der Membranaus. Das wird deutlich aus den Tr e n n-daten von verschieden bestrahltenMembranen, die für die Tr e n n u n geiner Lösung von zehn Prozent Raps-öl in Hexan getestet wurden. Mit zunehmender Bestrahlungsdosis unddamit zunehmendem Ve r n e t z u n g s-grad erhöht sich die Ölrückhaltung,während sich der Hexanfluß verrin-g e rt.

B e s t r a h - H e x a n - Ö l r ü c k -l u n g s d o s i s f l u ß h a l t u n gin kGy in l / (hm2 b a r ) in %

0 3 , 3 676 9 2 , 5 8 5

10 4 2 , 0 79138 1 ,7 8 616 0 1 , 9 9 2Für die Trennung des Rapsöl/Aceton-Gemisches standen mehrere Po l y-mere zur Auswahl. Po l y a c r y l n i t r i l( PAN) und Torlon sind chemischsehr beständige Polymere, unter-scheiden sich aber in ihrer Te m p e r a-turbeständigkeit. Für Te m p e r a t u r e nbis ca. 80 °C eignen sich beide glei-chermaßen, während Torlon beihöheren Temperaturen eindeutigbesser ist. Celluloseether (CE) sindin einer Vielzahl organischer Löse-mittel stabil. Sie eignen sich sehr gutzum Auftragen dünner Schichten, dasie schon in gering konzentriert e nwäßrigen Lösungen gute Filme bilden.Durch Vernetzung wird die Cellulose-

etherschicht wasserunlöslich, so daßdie Membranen auch in wäßrigenLösungen eingesetzt werden können.

Als zu trennendes Gemisch wurdeeine Lösung von zehn Prozent Raps-öl in Aceton eingesetzt. Für beideMembrantypen, PA N / C e l l u l o s e e t h e rund To r l o n / C e l l u l o s e e t h e r, wurdenhohe Ölrückhaltungen, teilweise bish u n d e rt Proz e n t , erreicht. Die gemes-senen Lösemittelflüsse liegen zwi-schen einem und 2,1 Liter proStunde, Quadratmeter und bar.

M e m b r a n L ö s e m i t t e l - Ölrück- f l u ß h a l t u n gin l/(h m2 b a r ) in %

PA N / C E 1,0 ... 1,7 97 ... 99To r l o n / C E 1,4 ... 2,1 98 ... 99Die erf o l greich entwickelten Mem-branen sind der erste Schritt für einezukünftige technologisch interessan-te Alternative zu bestehenden Ve r-fahren sowohl in der Speiseölher-stellung als auch in anderen Berei-chen der Lebensmittelindustrie. DerForschungsbeitrag liegt dabei nichtnur im wirtschaftlichen Bereich, son-dern erstreckt sich auch auf langf r i-stige Zielsetzungen eines Industrie-staates, wie produktionsintegr i e rt e rUmweltschutz und Ressourcen-schonung. Die wissenschaftlichenVoraussetzungen sind geschaffen,um im nächsten Schritt mit denb e t e i l i gten Pa rtnern die Einführungerster Pilotanlagen zu realisieren.Eine Voraussetzung für den industri-ellen Einsatz der Membranen ist dieEntwicklung eines leistungsfähigenModuls und dessen Bewährungunter großtechnischen Bedingungen.

Materialforschung

sche Bindung mit einem Metallatomein, die reversibel ist. Durch Heizendes Speichermaterials wird der Wa s-serstoff wieder freigesetzt. Bei einemUnfall würde die Wä r m ezufuhr unter-brochen und somit sofort auch dieWasserstoffabgabe unterbunden.Darüber hinaus läßt sich auf dieseWeise etwa 60 Prozent mehr Wa s-serstoff pro Volumeneinheit spei-chern als im Flüssiggastank. DieNachteile dieser Speichermethodewaren bisher zum einen die trägeReaktionsgeschwindigkeit, die Lade-zeiten von mehreren Stunden zurFolge hatte, zum anderen das erhöh-te Gewicht aufgrund des zusätzli-chen Metallanteils. Die Wi rt s c h a f t l i c h-keit dieses Konzepts ist für Speicher-gehalte von mehr als drei Gewichts-p r ozent gewährleistet, die sich nurmit Hilfe von Leichtmetallegi e r u n g e nerzielen läßt. Leichtmetallhydridebesitzen aber eine hohe Stabilitätund geben daher den Wa s s e r s t o f ferst bei höheren Temperaturen wie-der ab, MgH2 z.B. bei 300 °C.

Im Rahmen einer durch die BayrischeL a n d e s r e gierung geförderten Ko o p e-ration zwischen Hydro-Quebec inMontreal, Kanada, als Primärenergi e-e r z e u g e r, GfE Metalle und MaterialienmbH in Nürnberg als Legi e r u n g s h e r-steller und GKSS wird angestrebt, dieProbleme der Hydridspeicher gem e i n-sam zu lösen und diese Speicherf o r mfür den mobilen Einsatz zu qualifizie-ren. Dazu werden bei Hydro-Q u e b e cund GKSS neue Legierungen imLabormaßstab entwickelt und hin-sichtlich ihrer Wa s s e r s t o f f - S o r p t i o n s-eigenschaften untersucht. Von beson-derem Interesse ist dabei die Lang-zeitstabilität der neuartigen Legi e r u n-gen nach mehreren hundert Be- undE n t l a d ezyklen. GfE Metalle und Mate-rialien mbH hat parallel dazu dasTankdesign sowie die Entwicklung derentsprechenden Peripheriegeräte, z.B.Füllstandsanzeige und Beladeein-richtung, übernommen. Ziel ist es, derAutomobilindustrie am Ende der

Laufzeit des Projektes einen Proto-typtank zur Ve rfügung zu stellen, derbei einem herkömmlichen Vo l u m e nvon 50 Litern und einem Gewichtvon etwa 100 Kilogramm für einenMittelklasse-Pkw eine Reichweite von200 Kilometern ermöglicht und beieiner Temperatur von weniger als 180 °C eingesetzt werden kann.

Zunächst galt es, die Wa s s e r s t o f f a u f-nahme und -abgabe zu beschleuni-gen. Durch die Entwicklung vonnanokristallinen Legierungen mitHilfe des Hochenergiemahlens, einerTechnik, mit der GKSS langj ä h r i g eE rfahrungen hat, konnte technolo-gisch ein Durchbruch erzielt werden.Der hohe Anteil an schnellen Tr a n s-p o rtwegen für Wasserstoff in diesenWerkstoffen ermöglicht die Be- undEntladung des Wa s s e r s t o f f s p e i c h e r sinnerhalb weniger Minuten.

Allerdings bleibt die Wa s s e r s t o f f a b-

gabetemperatur davon unbeeinflußt.H i e rfür ist die Modifikation der ato-maren Bindungsverhältnisse imHydrid durch geschickte Auswahlvon Legierungszusätzen notwendig.Durch die Modellierung der Th e r m o-dynamik auf der Basis der verf ü g b a-ren experimentellen Daten, einerweiteren Kernkompetenz von GKSS,lassen sich Bindungsenergien be-rechnen und damit günstige Legi e-rungselemente vorhersagen. Auf derBasis der vielversprechenden Mg2N i -L e gierung wurde so systematisch derEinfluß weiterer Legi e r u n g s e l e m e n t emit dem Ziel untersucht, die Wa s s e r-stoffbindung zu destabilisieren undso die Einsatztemperatur zu senken.Dabei gelang es, die Entladetempe-ratur durch Kupferzusatz auf 230 °Czu senken. Ein besonderer Vo rt e i ldieser neuen nanokristallinen Legi e-rungen ist, daß die Beladung desTanks bei Raumtemperatur erf o l g e nkann.

Die Ergebnisse dieser Fo r s c h u n g s-arbeiten führten zu gemeinsamenPatentanmeldungen, eine kommerz-ielle Nutzung in naher Zukunft ista b s e h b a r. Ziel weiterer Entwicklungs-arbeit ist es, die angestrebte Einsatz-temperatur auf die Temperatur abz u-senken, bei der die Brennstoffzellenbetrieben werden, um einen kombi-n i e rten Einsatz zu begünstigen.

Mit der gemeinsamen We i t e r e n t-wicklung dieser Energiespeicher aufinternationaler Ebene wird ein Bei-trag zur Lösung der globalen Ener-gie- und Umweltprobleme geleistet.Die Vision eines abgasfreien undgeräuscharmen Fahrzeugs ist mitdieser Entwicklung bereits ein Stücknäher gerückt.

Stand von Wissenschaft und Technik des Wasserstoffantriebs, verwirklichtim NECAR 3 der A-Klasse von Daimler-Benz. Um das vollkommen emis-sionsfreie Automobil zu verwirklichen, zielen die G KSS-Entwicklungen aufneuartige Metallhydrid-Wa s s e r s t o f f s p e i c h e r.

Durch die Herstellung von nanokristallinenLegierungen mit Hilfe des Hochenergie-mahlens wurde ein Durchbruch in der Hydrid-technologie erzielt.


27

mittels nach der Extraktion entfällt.Trotz dieser offensichtlichen Vo rt e i l eder Membrantechnik in diesem Pro-duktionsbereich ist es von derGrundlagenforschung für geeigneteMembranen über die Lösung verf a h-renstechnischer Fragestellungen so-wie der Produktion der Membranenund Anlagen bis zum industriellenEinsatz in der Speiseöl herstellendenIndustrie ein weiter Weg. Vor zweiJahren wurde von GKSS ein Projektg e s t a rtet, in dem Membranen für dieNanofiltration für unterschiedlicheAnwendungsgebiete entwickelt wer-den sollen. Weitere drei europäischePa rtner aus Industrie und Fo r s c h u n gsind unter GKSS-Fe d e rführung andiesem Projekt beteiligt: ATO- D LO(Niederlande), Hoechst AG (Deutsch-land) und Separem s.p.a. (Italien).

ATO- D LO ist ein Fo r s c h u n g s i n s t i t u t ,das auf dem Gebiet der Lebensmit-tel- und Landwirt s c h a f t s t e c h n o l o gi etätig ist. Diese Firma beteiligt sicham Modulbau und testet die Mem-branen hinsichtlich ihrer Einsatzmög-lichkeiten in verschiedenen Berei-chen der Lebensmittelindustrie. Vo nGKSS werden seit Jahren erf o l gr e i c hMembranen für verschiedene An-wendungen, wie die Gastrennungund die Ultrafiltration, entwickelt. DieHoechst AG stellt gr o ß t e c h n i s c hTrägermembranen her, ist aber vorallem auch an der Anwendung derzu entwickelnden Membranen inter-e s s i e rt. Das mittelständische Unter-nehmen Separem s.p.a. hat sich aufdie Herstellung von Ko m p o s i t m e m-branen und Modulen spez i a l i s i e rt.

Ziel des Projektes ist es, sowohl löse-mittel- als auch chlorstabile Mem-branen für den Einsatz in wäßrigenLösungen zu entwickeln, wobei sichdie GKSS-Forschungsarbeiten aufden Bereich der lösemittelstabilenNanofiltrationsmembranen konzen-trieren. Für einen industriell wirt-schaftlichen Einsatz sollen die Mem-branen einen Lösemittelfluß vonmindestens einem Liter pro Stunde,Quadratmeter und bar aufweisen. Jenach späterem Ve r w e n d u n g s z w e c ksollen die Ölrückhaltungen minde-stens 85 Prozent für technisches Öl

und bis zu 100 Prozent für Speiseöl-qualität betragen.

Die Entwicklung neuer Membranenfür einen definierten industriellenEinsatz beginnt mit der Auswahlgeeigneter Polymere. Sie müssenchemisch stabil im zu trennendenGemisch sein, sich gut verarbeitenlassen, und im Hinblick auf dieKosten sollen möglichst kommerziel-le Polymere verwendet werden, wassich allerdings nicht immer realisie-ren läßt. Sind geeignete Po l y m e r egefunden, werden Membranen her-gestellt und mit Modellgemischenim Labormaßstab getestet. DieMembranen, die die besten Ergeb-nisse liefern, werden dann in gr ö-ßeren Apparaturen unter realitätsna-hen Bedingungen weiter erprobt.Um die später verwendeten Appa-raturen so platzsparend und kosten-günstig wie möglich zu gestalten,werden Membranmodule eingesetzt.Sie ermöglichen es, eine vergleichs-weise große Membranfläche aufengem Raum so unterzubringen,daß der Kontakt der gesamten Mem-branfläche mit dem zu trennendenGemisch gewährleistet ist. Ein oft

verwendeter Modultyp ist dasWickelmodul. Wie bei einem Sand-wich werden die Rückseiten vonzwei Membranen auf einen hoch-porösen Spacer geklebt, um einenschnellen Abtransport des Pe r m e a-tes zu ermöglichen. Diese geklebtenMembranen werden auf eine Rollegewickelt. Der Abstand zwischen deneinzelnen Membranlagen wird wie-derum durch Spacer garantiert, wo-durch eine vollständige Überströ-mung der gesamten Membranflächemit der Feedlösung erreicht wird. Dief e rtigen Membranmodule werden inPilotanlagen getestet und nach erf o l g-reicher Bewährung in der Industrieeingesetzt. Bis zu diesem Schritt istes ein langer Weg, der Erf a h r u n g e nauf den unterschiedlichsten Gebie-ten verlangt. Die Zusammenarbeit ineinem Projekt bietet die Möglichkeit,die Kenntnisse und Erf a h r u n g e njedes einzelnen Projektpartners zunutzen, um ein industriell einsetzba-res Produkt zu entwickeln. Einenhohen Stellenwert haben Ko n t a k t ezu potentiellen Anwendern aus derIndustrie, die schon in frühenPhasen der Entwicklungsarbeit ein-b ezogen werden.

Für die Messung der Durchflußrate und der Ölrückhaltung werden die Membranen in Te s t z e l l e ne i n g e l e g t .


22

Die We i terentwicklung neuerMethoden für die We r k s t o f f-prüfung von der ersten Idee biszu einer weltweit anerkannte nNorm ist oft ein langw i e r i g e rP r ozeß. Viele Versuche müssend u r c h g e f ü h rt werden, in denensich die Richtigkeit und diePraxisnähe der für eine Nor-mung vorgeschlagenen Methodeimmer wieder aufs neue erwei-sen muß. Ein einzelnes Prüf-labor kann diese Arbeit nichtallein leisten. Nur durch dieZusammenarbeit möglichst vie-l e r, voneinander unabhängi g e rLaboratorien kann letztlich einobjektives Urteil über Sinn undNutzen eines neuen Normvor-schlages gefunden werden. Einvon GKSS ausgearbeite ter Vo r-schlag für eine neue Standard-p r ozedur zur Prüfung der An-fälligkeit von We r k s t o f f e ngegenüber Spannungsrißkorro-sion bildet die Grundlage fürein Geflecht inte r n a t i o n a l e rP r o j e k te, in das mittlerweilemehr als 35 europäische Labo-ratorien eingebunden sind. Zieldieser Forschungs- und Ent-wicklungsarbeit ist es, einePrüfnorm zu schaffen, die welt-w e i te Akzeptanz findet.

Spannungsrißkorrosion bez e i c h n e tdas häufig extrem gefährliche Auf-treten von Rissen in Bauteilen, aufdie mechanische Kräfte einwirkenund die zugleich dem Einfluß derKorrosion ausgesetzt sind. Letztereskann durch die äußere Umgebunggeschehen, wie bei vielen Bau-werken, es kann aber auch durchunterschiedliche Medien ausgelöstwerden, die sich im Inneren von Be-hältern oder Kraftwerkskomponentenbefinden. Dabei muß es sich nichtimmer um Substanzen handeln,deren Aggressivität für jedermanns o f o rt ersichtlich ist. Auch harmloserachtete Produkte wie Bier können,„geeignete“ Bedingungen vorausge-setzt, Spannungsrißkorrosion in sol-chen Werkstoffen verursachen, dieim allgemeinen für immun gegend e r a rtige Schäden gehalten werden,wie beispielsweise „rostfreier“ Stahl.L u f t f a h rt e x p e rten ist bekannt, daßauch der Mensch ein äußerst korro-sives Tr a n s p o rtgut darstellt. Eine che-mische Analyse der Bilgeflüssigkeit,dem Kondensat, das sich an der tief-sten Stelle eines Flugzeugr u m p f e ssammelt, bestätigt dies.

Korrosionsrisse wachsen in der Regellangsam, und oft geht ihrem Wa c h s-tum eine längere „Inkubationszeit“von vielen Jahren voraus. Bleibensolche Risse unentdeckt, können diebetroffenen Komponenten irgend-wann ohne äußerlich erkennbareAnzeichen plötzlich versagen, häufigmit katastrophalen Folgen fürMensch und Umwelt. Es ist daherZiel der Ingenieure, durch die richti-ge Werkstoffauswahl oder durchgeeignete Fe rt i g u n g s v e rfahren vonvornherein Schäden, verursachtdurch Spannungsrißkorrosion, zu ver-meiden. Wo dies nicht möglich ist,wird zumindest eine genaue Ke n n t-nis über Entstehen und Wa c h s e nk o r r o s i o n s b e d i n gter Risse angestrebt.Die GKSS-Forschungsarbeiten habendas Ziel, eine zuverlässige undschnelle Prüfmethode zu entwickeln,welche in vergleichsweise kurzer ZeitVorhersagen von Rißentstehung und-ausbreitung liefert .

So war es nicht schwer, Pa rtner zufinden, die bereit waren, sich aneinem europäischen Fo r s c h u n g s-p r o gramm zu beteiligen, in dem dievon GKSS vorgeschlagene Methode,inzwischen von der EuropeanStructural Integrity Society, ESIS, alsP r ü f p r ozedur „ESIS P4“ übernom-men, einem Eignungstest unterzo-gen werden sollte. Letztlich beteilig-ten sich 23 Laboratorien aus 14westeuropäischen Ländern an demProjekt, das die Europäische Ko m-mission in ihrem Programm „Nor-men, Messen und Prüfen“ mit übereiner Million Mark gefördert hat unddas von GKSS koordiniert wurde.Über 500 Proben verschiedenerWerkstoffe wurden von GKSS be-reitgestellt und in den Labors derPa rtner unter genau definiert e nBedingungen geprüft. Ziel des Pro-jektes, dem die Pa rtner den Namen„ C H A RIS M A“ gegeben hatten, wardie Entwicklung eines neuen ISO-Standards, der dann von der CENautomatisch als europäische Normübernommen würde.

Neue Werkstoffprüfmethode mit weitreichenden Folgen Der lange Weg zu einer internationalen Norm

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmeeines Spannungsrißkorrosions-Schadens ineinem Rohr aus rostfreiem Stahl, welches inder Bierproduktion im Einsatz war.

50 µm


Produktionsintegrierter Umweltschutz in der Speiseöl-herstellung: Membranen für die Le b e n s m i t t e l i n d u s t r i e

Teststand zur Bestimmung der Trennleistung einer Membran.

Materialforschung

23

Im Rahmen eines von der Euro-päischen Union finanzierten Pro-j e k tes wurden von GKSS Mem-branen für die Abtrennung nie-dermolekularer Ve r b i n d u n g e nvon organischen Lösungsmitte l nentwickelt. Vier Pa rtner aus dreieuropäischen Ländern bete i l i g-ten sich an diesem Projekt mitdem Ziel, Fo r s c h u n g s a r b e i ten inder Membrantrenntechnik zuübernehmen, die von der Ent-wicklung einer Membran imLabormaßstab bis hin zum indu-striell einsatzfähigen Membran-modul und der dazugehörigenVe rf a h r e n s technik reichen sollte .Ferner war die Aufgabenste l l u n gfür den Einsatz dieser Technik inder Lebensmittelindustrie zurw i rtschaftlichen und ressourcen-schonenden Trennung von Speise-ö l / L ö s e m i t tel-Gemischen defi-n i e rt worden. Die entwickelte nMembranen bieten aufgrundihrer bis zu hundert p r oz e n t i g e nÖlrückhaltung und hohen Durch-f l u ß r a ten eine Alternative zurkonventionellen Ölherste l l u n g .

Die Membrantechnik hat sich in denletzten 15 Jahren zu einer leistungs-fähigen Technik entwickelt. Zu denindustriell bereits etablierten Mem-b r a n v e rfahren gehören u.a. die Mikro-filtration, die Ultrafiltration und dieUmkehrosmose. Mit dem Einsatz vonMembranen konnten bereits zahlrei-che konventionelle Tr e n n v e rf a h r e n ,die oft sehr energieintensiv undumweltbelastend sind, ersetzt werden.Ein industriell noch wenig genutztesVe rfahren ist die Nanofiltration. DerGrund hierfür ist, daß zur Zeit kom-merziell keine Membranen verf ü g b a rsind, die eine wirtschaftliche Ve rf a h r e n s-führung mit hohen Rückhaltungenund hohen Durchflußraten erlauben.Darüber hinaus sind für die Nano-filtration chemisch und thermisch sta-bile Membranen erforderlich, da mitdiesem Prozeß vor allem organischeLösungen bz w. wäßrige Lösungen mithohem Anteil an organischen Löse-mitteln behandelt werden sollen.

Die Anwendungsmöglichkeiten fürdie Nanofiltration sind vielfältig, wie

die folgenden Beispiele zeigen:

c L e b e n s m i t t e l i n d u s t r i e :Reinigung von Speiseöl, Aufkon-zentrierung von Stärke undZuckern, Abwasserbehandlung.

c Chemische Industrie:Katalysatorrückgewinnung ausorganischen Lösemitteln, Reini-gung von mit niedermolekularenStoffen verunreinigtem Wa s s e r,Abtrennung von Oligomeren ausPo l y m e r l ö s u n g e n .

c Metallindustrie: Reinigung von Öl/Wa s s e r - E m u l-sionen, Reinigung galvanischerB ä d e r.

c Pa p i e r i n d u s t r i e :Abtrennung von Hemicellulose.

c Petrochemische Industrie:Reinigung von Schmierölen.

c Pharmazeutische Industrie:Abtrennung von Peptiden und Anti-b i o t i k a .

Eine wirtschaftlich interessante An-wendung von Nanofiltrationsmem-branen ist die Speiseölherstellung. Inder Bundesrepublik Deutschlandwerden jährlich sieben MillionenTonnen Ölsaat und Ölfrüchte verar-beitet. Der Großteil des Speiseölswird durch Extraktion mit Hexan ge-wonnen. Dabei werden ca. 99 Pro-zent des in der Saat enthaltenen Öls,aber auch Fettbegleitstoffe heraus-gelöst. In einer Reihe von Ve rf a h-rensschritten müssen nach der Ex-traktion Lösemittel und Begleitstoffeabgetrennt werden, um reinesSpeiseöl zu erhalten. Gegenwärt i ggeschieht das mittels eines sehre n e r gieaufwendigen Ve rfahrens, beidem neben Chemikalien gr o ß eMengen an Wasser erforderlich sind.

Im ersten Ve rfahrensschritt wird dasLösemittel aus dem etwa 30 Proz e n tÖl enthaltenden Extraktionsgemischabgetrennt. Auf 150 °C erwärmt, ver-dampfen die leichtflüchtigen Löse-mittel, aus dem zurückbleibendenRohöl werden danach durch Aus-

fällung mit wäßrigen Lösungen vonPhosphorsäure und NatronlaugeFettbegleitstoffe wie Lezithin, Phos-pholipide und freie Fettsäuren ent-fernt. Nachdem das Öl anschließendgewaschen wurde, um verbleibendeChemikalienreste zu entfernen, wirdes getrocknet. Durch Zugabe von akti-v i e rter Kohle werden Farbstoffe wieChlorophyll und Beta-Karotin entferntund in der letzten Behandlungsstufemit Wasserdampf im Vakuum bei ca.250 °C desodoriert, um störende Ge-ruchsstoffe zu entfernen. Der Einsatzvon Membranen für die Ölraffinationr e d u z i e rt den Umfang des Ve rf a h r e n swesentlich, da die unerwünschten Be-gleitstoffe gleichzeitig mit dem Löse-mittel abgetrennt werden können.Das führt zu erheblichen Einsparun-gen von Wasser und Chemikalien.Allein für die Lösemittelrückgewinn-ung wird die Energieeinsparung aufetwa zehn Prozent geschätzt.

Wi rtschaftlichkeitsstudien zeigen,welche Kosten durch den Einsatzvon Membranen im Vergleich zumkonventionellen Prozeß eingespartwerden können:c 85 % weniger Proz e ß w a s s e r,c 63 % weniger Abwasser,c 62 % weniger elektrische Energie, c 60 % weniger Raffinationsverluste, c 28 % weniger Wa s s e r d a m p f,c 22 % geringere Anlagenkosten,c 7 % weniger Kü h l w a s s e r.

Weltweit gibt es rund 200 große An-lagen zur Ölraffination, die alle nochdas konventionelle Ve rfahren anwen-den und für die die Nanofiltrationeine Alternative darstellt. Neben derSenkung des Energieverbrauchs trägtdie neue Technik auch wesentlichzur Reduzierung des Schadstoff-ausstoßes von Lösemitteldämpfenbei. Bei der jetzigen Produktionswei-se entweichen ca. 1,7 Kilogr a m mHexan pro Tonne verarbeiteten Saat-gutes in die Atmosphäre: Allein dieProduktion von Raps- und Sojaöl inden Ländern der EuropäischenUnion verursacht jährlich eine Emis-sion von rund 20 000 Tonnen Hexan.Durch die Nanofiltration kann dieseMenge um 95 Prozent reduziert wer-den, da das Verdampfen des Löse-

Noch während dieses Projekt lief,wurde GKSS eingeladen, sich mitihrer Prüftechnik an einem zweitenvon der EU geförderten Vo r h a b e n ,dieses Mal im Rahmen des EURA-TO M - P r o gramms, zu beteiligen: Hiersollte versucht werden, das Ko r r o-sionsverhalten von austenitisch-ferri-tischen Schweißverbindungen, soge-nannten „Schwarz/We i ß -Ve r b i n d u n-gen“, wie sie zunehmend im Kraft-werksbau eingesetzt werden, zub e u rteilen. Neun Pa rtner aus sechseuropäischen Staaten sind in diesesProjekt mit dem Akronym „DIS W EC “eingebunden, in dem nach Möglich-keiten gesucht werden soll, die Aus-breitungsgeschwindigkeit von Rissenin derartigen Schweißungen mög-lichst zuverlässig vorherzusagen.

Großes Interesse an einer Übernah-me fortgeschrittener Prüftechnik be-stand von Anfang an auch in Labo-ratorien der Staaten Mittel- undOsteuropas. Durch die Regeln derEuropäischen Kommission warenLabors aus diesen Ländern von einerTeilnahme an den beiden vorge-nannten EU-Projekten ausgeschlos-sen. Daher lag es nahe, mit diesenPa rtnern ein eigenes Projekt in An-griff zu nehmen. Und so gibt es imRahmen des IN CO-CO PE RNI C US -P r o gramms der EU, das speziell aufdie Zusammenarbeit mit den LändernMittel- und Osteuropas ausgerichtetist, seit 19 97 ein weiteres von derEU gefördertes und von GKSS ko-o r d i n i e rtes Projekt mit dem Ku r z t i t e l

„ H A ST“. Es soll helfen, Prüfungen ge-mäß der neuen Prozedur auch in die-sem Teil Europas einzuführen, undd o rt künftig zur Vermeidung vonSchäden an Industrieanlagen undPipelines beitragen. Fünf Pa rtner ar-beiten daran, gemeinsam ein Quali-tätssicherungssystem für diese Prüf-methode auszuarbeiten.

Somit sind mittlerweile etwa 35europäische Pa rtner – Fo r s c h u n g s-labors, Industrieunternehmen undUniversitäten – in die gemeinsameEntwicklung eines neuen Prüfstan-dards eingebunden. Gastaufenthalte

von Wissenschaftlern aus Indien undBrasilien bei GKSS trugen dazu bei,diese Prüftechnik noch weiter zu ver-breiten. Nach dem Abschluß desersten der drei EU-Projekte im De-zember 19 97, das mit einer Laufzeitvon 46 Monaten zugleich eines derlängsten Projekte in diesem EU-Pro-gramm war, liegt jetzt der Entwurffür einen neuen Teil („Teil 9“) desISO-Standards 7539 vor, der sich all-gemein mit der Korrosion metallenerWerkstoffe befaßt. Dieser neue Te i lb a s i e rt auf der ursprünglich beiGKSS vorgeschlagenen Prüfproz e d u r,beinhaltet jedoch all jene Erf a h r u n-gen, die im Verlauf des EU-Projektesvon den Pa rtnern gesammelt wur-den. Seine Weiterentwicklung zueinem international anerkanntenStandard ist Aufgabe des zuständi-gen Standardisierungsgremiums derISO. GKSS wurde mit der Leitungdieses Normierungsvorhabens be-traut; Ve rtreter Frankreichs, Groß-britanniens, Japans, Kanadas und derUSA haben ihre Unterstützung zuge-s a gt .

U n a b h ä n gig davon hat inzwischenauch die amerikanische Standardisie-rungsgesellschaft ASTM ihr Interessebekundet, den von GKSS ausgear-beiteten Normentwurf als Grundlagefür einen eigenen Standard zu ver-w e n d e n .

Von GKSS angefertigte Werkstoffproben vordem Versand an die Pa r t n e r l a bors, die dieseProben anschließend geprüft haben; das Fotozeigt etwa ein Drittel der insgesamt im Pro-jekt CH A RISMA untersuchten Proben.

Vergleich zwischen Proben zur Spannungsriß-korrosions-Prüfung vor Ve r s u c h s b e g i n n(Mitte), nach einem Jahr Versuchsdauer in derNordsee (re.) und in einer Ve r g l e i c h s l ö s u n g(sog. künstliches Meerwasser, li.).



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Umweltfreundliche Trenn- und Um-welttechniken mit Hilfe von Membra-nen gehören zum High-Te c h - B e r e i c hmit zunehmender wirt s c h a f t l i c h e rBedeutung. Viele Stofftrennungspro-bleme, wie die Abwasseraufberei-tung, die We rtstoffanreicherung, dieDämpferückgewinnung oder die Erdgasaufbereitung, können mit derMembrantechnik gelöst werden.

Große Chancen im internationalenWettbewerb verspricht auch ein wei-teres Forschungsfeld: Biomaterialien.GKSS wird in beiden Th e m e n s c h w e r-punkten die Forschung vorantreiben,und beiden Forschungsfeldern isteines gemeinsam: ausgeprägte An-w e n d u n g s n ä h e .

B i o l o gische Membranen sind sehrk o m p l i z i e rte und zugleich sehr wich-tige Bausteine in lebenden Organis-men. Sie tragen bedeutsame Fu n k-tionen für den Schutz und den Stoff-wechsel der Zelle und damit einesgesamten Organismus’. Sie dienender Regulierung des Energi e h a u s-haltes, der Signalübertragung, derInformationsweiterleitung und derSteuerung des Tr a n s p o rts von Nähr-und Abfallstoffen. Die von Chemi-kern entwickelten künstlichen Mem-branen hingegen besitzen bisherlediglich die Eigenschaft eines Tr e n n-mediums. Membrantrennproz e s s ezeichnen sich dabei durch beson-ders schonende Behandlung derSubstanzen und durch geringenE n e r gi e b e d a rf aus. Sie stellen damitim Vergleich zu anderen Tr e n n v e r-fahren, wie zum Beispiel Destillation,eine interessante Alternative dar.Lernend von der Natur, gilt es, maß-g e s c h n e i d e rte Membranen für maß-g e s c h n e i d e rte Tr e n n p r ozesse zu ent-wickeln. Durch die Synthese neuerMaterialien, die Einbeziehung zusätz-licher Funktionen der Membranensowie die Optimierung der Te c h n i ksollen Membranprozesse spez i f i s c h e rgestaltet werden, als dies heute

möglich ist. Ziel der Membranfor-schung der GKSS an den Standort e nGeesthacht und Teltow ist die Ent-wicklung von Membranen für Tr e n n-v e rfahren in Umwelttechnik, Energi e-wandlung, Biotechnik, Proz e ß t e c h n i kund Medizin. GKSS-Entwicklungen,unter anderem 19 neue Pa t e n t eallein im Jahr 19 97, haben in denletzten Jahren wesentliche Beiträgezur Stofftrennung in der Lebens-mittelindustrie, mit lösemittelbestän-digen Membranen, zur Aufbereitungvon Abgasen und Prozeßgasen imp r o d u k t i o n s i n t e gr i e rten Umwelt-schutz, zur Herstellung neuer Pro-dukte mit Membranbioreaktoren undzur Adsorption giftiger Stoffe an Bio-material geleistet. Gemeinsam mitin- und ausländischen Pa rtnern wer-den von GKSS weitere möglicheAnwendungsgebiete bearbeitet. DieLösungsansätze beschränken sichdabei nicht auf Teilprobleme, son-dern reichen von der molekularenModellierung von Fu n k t i o n s w e r k-stoffen für Membranen bis zur fert i-gen Pilotanlage. In Fachkreisen wirdder Membran-Ve rfahrenstechnik eineder Mikroelektronik vergleichbare Zu-kunft vorausgesagt .

Neue, umweltrelevante technologi-sche Entwicklungsarbeiten der GKSSkonzentrieren sich auf die Dekonta-mination von Feststoffen und dieSanierung von Seen. Die Ko m p e-tenz der GKSS in der Schwermetall-a n a l ytik in Verbindung mit der hoch-entwickelten Sicherheitstechnik sindeine ausgezeichnete Vo r a u s s e t z u n g ,um neue Ve rfahren zur Entgi f t u n g ,insbesondere von Schluffen, zu erarbeiten. Durch enge Zusammen-arbeit mit dem Fo r s c h u n g s s c h w e r-punkt Umweltforschung und exter-nen Pa rtnern, z.B. dem Umweltfor-schungszentrum Leipzig-Halle, wares möglich, die ingenieurt e c h n i-schen Voraussetzungen für die Sa-nierung von eutrophierten Gewäs-sern zu schaffen.

Die Vorhaben und Projekte in derTrenn- und Umwelttechnik deckendas Spektrum von Grundlagenfor-schung – hier Modellierung undWerkstoffentwicklung – bis hin zurAnwendung ab. Die Bündelung derKenntnisse von Te c h n o l o gie undAnwendung aller Beteiligten trägtdazu bei, Entwicklungen noch effizi-enter und schneller in die Prax i süberzuleiten.

Durch interdisziplinäre, in diesemForschungsschwerpunkt betonteVe rflechtung von natur- und inge-nieurwissenschaftlicher Fo r s c h u n gleistet GKSS einen innovativen Bei-trag zur Vorsorgeforschung durchz u k u n f t s o r i e n t i e rte Techniken und versucht durch engen Kontakt mitder Industrie, die Anwendung zub e s c h l e u n i g e n .

Ü b e r b l i c k


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G e k o p p e l te Modellsysteme zurgenauen Vorhersage von Ener-gie- und Wasserkreisläufen imK l i m a s y s tem sind ein herausra-gendes Forschungsthema ini n ternationalen Fo r s c h u n g s p r o-grammen wie z.B. GEWEX undBA LTEX. Eine Motivation fürdiese weltweit koordinierte nForschungsanstrengungen ergi b tsich aus dem dringenden Bedarfan verbesserten operationellenWe t ter- und Hochwasservorher-sagen sowie darauf begründete nVorsorgemaßnahmen. Schädendurch verheerende Hochwasser-ereignisse wie das an der Oderim Jahr 19 97 können nur durchi n ternationale Anstrengungenm i n i m i e rt werden. GKSS bete i-l i gt sich federführend an derWe i terentwicklung von gekop-p e l ten Modellsystemen im wissenschaftlichen NetzwerkBA LTEX und bereitet darauf aufbauend ein operationell an-wendbares Hochwasserprogno-semodell für die Oder vor.

Wasser ist eine der wichtigsten Ko m-ponenten in der Natur. Es bestimmtin seinen drei Aggr e g a t z u s t ä n d e nviele Prozesse im globalen We t t e r -und Klimasystem und beeinflußt dadurch nachhaltig die natürlicheUmwelt, in der wir leben. Proz e s s ewie Verdunstung, Wo l k e n b i l d u n g ,Wechselwirkungen mit Strahlung so-wie Niederschlag sind immer mitE n e r gieflüssen verbunden (z.B. fühl-bare und latente Wärme, Strahlung).Daher ist die gemeinsame Betrach-tung von Energie- und Wa s s e r k r e i s-läufen in der Natur unerläßlich. Für viele praktische Anwendungenwie Wettervorhersage, Klimaszena-rienrechnungen und -prognosen,Wasserstandsprognosen in Flüssenund Meeren, Tr i n k w a s s e r -Vo r r a t s-planung, Vorhersage von Stofftrans-p o rten und deren Auswirkungen auf

natürliche Ökosysteme sowie Kü s t e n-schutzmaßnahmen sind genaueKenntnisse der Energie- und Wa s s e r-kreisläufe in der Natur eine Vo r a u s-setzung. Daher hat die We l t o r g a n i s a-tion für Meteorologie (WMO) vorzehn Jahren im Rahmen des We l t-k l i m a f o r s c h u n g s p r o gramm (WC RP )das globale Fo r s c h u n g s p r o gr a m mGEWEX (Global Energy and Wa t e rCycle Experiment) begonnen. EinKernziel von GEWEX bis zum Jahr2005 ist die operationell nutzbareJahreszeitenvorhersage z.B. von Nie-derschlag, Verdunstung und Boden-feuchte. GEWEX, das selbst mit ande-ren globalen Programmen vernetztist, besteht aus regionalen Ve r b u n d-p r o grammen in fünf Kontinenten. Eineuro-päischer Beitrag zu GEWEX istB A LTEX (Baltic Sea Experiment), dassich auf das gesamte Wa s s e r e i n z u g s-gebiet der Ostsee (BALT E X -G e b i e t )k o n z e n t r i e rt. Im Rahmen von BALT E Xarbeiten Wetterdienste und Fo r-schungseinrichtungen aus mehr alszehn Ländern gemeinsam an derEntwicklung von gekoppelten Ener-gie- und Wasserkreislaufmodellen fürdas gesamte BALT E X -Gebiet. Te i l-

schritte auf diesem Weg schließendie Verbesserung existierender Modell-komponenten sowie die Ko p p l u n gvon einzelnen Modellteilen ein.

GKSS nimmt im BALT E X - Fo r s c h u n g s-verbund einen wichtigen Platz einund bestimmt die Fo r s c h u n g s s t r a t e-gie federführend mit. Ein Schwer-punkt der BALTEX-Arbeiten bei GKSSist die Kopplung eines GKSS-Hydro-l o giemodells an das We t t e r v o r h e r-sagemodell REMO des DeutschenWetterdienstes. Das Hydrologi e m o-dell besteht seinerseits aus dreiTeilen, dem Landoberf l ä c h e n p r oz e ß-modell SEWAB sowie zwei Modell-komponenten, die den Wa s s e rt r a n s-p o rt von der Landoberfläche in denFluß und dann weiter im Fluß zurMündung hin beschreiben. Die bei-den letztgenannten Ko m p o n e n t e nwurden erf o l greich auf die Einzugs-gebiete der Weser und Elbe ange-wendet (siehe Jahresbericht 19 9 6 /97, „Wie kommt das Wasser in denF l u ß ”. Das Landoberf l ä c h e n p r oz e ß-modell ist grundsätzlich von gr o ß e rBedeutung, da es die zwei BereicheAtmosphäre und Landoberfläche mit-

Hochwasserprognosen für die Oder:Ein Fall für das Ostsee-Experiment BALT E X

Die Darstellung der Oder im Modellgitternetzdes REM O .

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werden mit Hilfe gentechnischerMethoden die speziellen Enzyme,die die gewünschten Reaktionen be-wirken, in der erforderlichen Reinheitund Menge produziert. Das GKSS-Institut für Chemie in Teltow bringtdie Kompetenz bei der Entwicklungder Membranen und Membran-moduln ein, mit denen die langketti-gen Kohlenhydrate synthetisiert undi s o l i e rt werden. Die Eigenschaftender so gewonnenen Produkte, be-sonders im Hinblick auf möglicheAnwendungsgebiete, untersuchendas Fraunhofer-Institut für Ange-wandte Po l y m e rforschung in Te l t o wund das Institut für Te c h n i s c h eChemie, Fachgebiet Makromole-kulare Chemie der Technischen Uni-versität Berlin. Mit Hilfe von Produkt-proben schließlich wird eine jungeB i o t e c h n o l o gie-Firma, PlantTec GmbHin Potsdam, die Ergebnisse der Fo r-schungs- und Entwicklungsarbeitenv e r m a r k t e n .

Die synthetisierenden oder spalten-den Enzyme, wie sie Dahlie oderK a rtoffel in ihrem Stoffwechsel ein-setzen, können technisch isoliertwerden und im Kontakt mit Ko h l e n-hydraten auch im Labor den Mole-külaufbau beziehungsweise -abbaubewirken. Um beispielsweise Po l y-saccharide in größeren Mengen zu gewinnen, verwendet man diemikroskopisch kleinen Poren vonMembranen als Reaktionsgefäße:Die jeweiligen Enzyme werden indiese Miniatur-Bioreaktoren einge-s p e r rt. Schickt man nun eine Zucker-lösung durch die Membran, so kön-nen die gewünschten Reaktionspro-dukte unter einfach kontrollierbarenBedingungen synthetisiert werden.

Solcher spezieller Mikroreaktorenb e d a rf es nur in bestimmten Fä l l e n .Nach dem Stand der Technik lassensich mittlerweile viele enzymatischeReaktionen auch in gewöhnlichenReaktoren betreiben. Eine mit Sub-stratmolekülen beladene Flüssigkeitwird in den Reaktor gefüllt, in demin wäßriger Lösung Enzyme bereitstehen, das Substrat in das ge-wünschte Produkt umzuwandeln.Membrantechnik kommt ins Spiel,

wenn Enzym- und Produktmolekülegetrennt werden. Geeignete Mem-branen halten die gr o ß m o l e k u l a r e nEnzyme zurück, während die vielkleineren Produktmoleküle die Mem-bran passieren und so in das Filtratgelangen.

Ideal ist die Stofftrennung, wenn dieProduktmoleküle deutlich kleiner alsdie Substratmoleküle sind. Das ist beider enzymatischen Verzuckerung derFall, bei der Spaltung beispielsweisevon Kartoffel- oder Maisstärke. Sindhingegen die Produktmoleküle, wiebei der Synthese von Po l y s a c c h a r-iden, ähnlich groß wie die Enzym-moleküle, dann greift der Siebeffekteiner Membran nicht mehr. DasEnzym erstickt gleichsam im gebilde-ten Produkt. Eine kontinuierliche Fü h-rung des Reaktionsprozesses wirderst dann wieder möglich, wenn die Enzyme chemisch fest an einenTräger gebunden werden. Besondersv o rteilhaft ist es, Enzyme an die Po-renwände von mikroporösen Mem-branen anzukoppeln. Bei geeigneterPorengeometrie, in der Form umge-k e h rter Trichter etwa, treten die klei-nen Substrat- (Zucker-) Moleküleleicht in Kontakt mit den Enzymen,wachsen dann ungehindert zu riesi-gen Kohlenhydrat-Molekülen heran

und werden als solche mit dem aus-fließenden Filtratstrom aus demMembran-Mikroreaktor herausge-spült. Die Größe der Produktmole-küle wird durch Variation der Strö-mungsgeschwindigkeit und damitder Kontaktzeit der wachsendenMoleküle mit dem Enzym beeinflußt.

Nach dem Ve rfahren der Enzym-kopplung haben die GKSS-Wi s s e n-schaftler aus Zucker Po l yf r u c t a n e(Inuline) mit extrem hohem undsehr einheitlichem Molekulargewichtim Bereich von fünf bis 80 MillionenGramm pro Mol gewonnen, wie siein der Natur kaum vorkommen.Überraschenderweise sind dieseInuline in Wasser löslich, besondersunter Wärmeeinwirkung. Gemeinsammit den beteiligten Mikrobiologenwird jetzt der Mechanismus desR i e s e n m o l e k ü l - Wachstums in denMembranporen untersucht. Dennmöglicherweise ist eine raffiniert eKombination verschiedener Enzymeder Schlüssel, gezielt neue Produkteherzustellen.

Eine Membran wird in die Prüfapparatur eingelegt.



47

Für diese Untersuchungen wurde beiGKSS in den vergangenen Jahreneine umfangreiche Meßapparaturbeschafft und aufgebaut. Mit einemoptischen Profiler werden Ve rt i k a l-profile des abwärts gerichtetenStrahlungsflusses und der aufwärt sgerichteten Strahldichte aufgenom-men. Absorption, Streuung undRückstreuanteil werden mit einemRückstreumeßgerät und einemAbsorptions- und Strahlungsattenua-tions-Meßgerät in situ bestimmt.Gleichzeitig genommene Wa s s e r-proben werden auf die Phyt o p l a n k-tonpigmente, die Gelbstoffabsorption,das Trockengewicht des Schwebstoffsund den gelösten und part i k u l ä r e nKohlenstoffgehalt untersucht.

Die Notwendigkeit, bei Auswert e v e r-fahren regionale Besonderheiten zuberücksichtigen, hat zusätzlich zueinem nationalen Programm fürME RIS geführt, das vom BMBF ge-f ö r d e rt wird: das ME RIS - A n w e n d u n g s -und regi o n a l e - P r o d u k t e - P r o gr a m mM A PP. An diesem Projekt sind dieInstitute für Optoelektronik (Ober-pfaffenhofen) und We l t r a u m s e n s o r i k(Berlin) des Deutschen Zentrums fürLuft- und Raumfahrt, DLR, sowie dasInstitut für We l t r a u m w i s s e n s c h a f t e nder FU Berlin und federführend GKSSb e t e i l i gt. Die Firma Scicon hat dasManagement und die Entwicklung

der Software zur Integration der indiesem Projekt entstehenden Aus-w e rt e v e rfahren übernommen. Nichtnur regional angepaßte Auswert e v e r-fahren für Küsten- und Binnengewäs-ser werden in MAPP entwickelt, son-dern auch Methoden zur Kart i e r u n gund Analyse von Landvegetation undLandnutzung sowie zur Untersuchungvon Wolken, Wasserdampf und Aero-solen. Neben der Entwicklung desSoftwarepakets zur Verarbeitung der

Meßdaten für regionale Anwendun-gen, des ME RIS - P r ozessors, der amDeutschen Fe r n e r k u n d u n g s d a t e n-zentrum (DFD) der DLR in Ergänzungzu dem Prozessor der ESA installiertwird, sollen die Anwender von ME RIS -Daten intensiv auf die Datennutzungvorbereitet werden.

In einem weitverzweigten Netzwerkin Europa und Kanada wird mit deng e s c h i l d e rten Projekten die bisheraufwendigste Erderkundungsmissionin Europa vorbereitet. Es umfaßt Fo r-schungseinrichtungen, Entwicklungs-firmen, Anwender, die nationalenWeltraumbehörden und die Euro-päische Weltraumagentur ESA. Wa-ren vergangene Missionen weitge-hend von der Te c h n o l o gie getrieben,so stehen im Zentrum der ENVIS AT-Mission Anwendung und Nutzungzur Beobachtung unserer gefährde-ten Umwelt.

Eine „Red Tide“ in der Deutschen Bucht. Siewird durch eine Massenblüte von Phytoplank-ton verursacht, das hohe Ko n z e n t r a t i o n e nroter Pigmente enthält (Karotinoide). SolcheMassenblüten können für andere Meeresor-ganismen toxisch sein. Das Re flexionsspek-trum einer „Red Tide“ ist in der AbbildungSeite 44 oben zu sehen.

Die Meßdaten der Optiksonde werden auf einem Computer on line ausgewertet. Dort wo Ände-rungen im Meßprofil auftreten, werden per Computerbefehl die Schöpfer ausgelöst, damit dasWasser auf Plankton und Inhaltsstoffe untersucht werden kann.

Umweltforschung

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In vielen Fällen werden in derIndustrie für unumgänglicheN e u t r a l i s a t i o n s p r ozesse Säurenoder Laugen im Wo rtsinne „v e r-braucht“, indem sie sich als Salz-belastung im Ab- oder Proz e ß-wasser wiederfinden. Tr a n s p o rtund Vorratshaltung von Säurenund Laugen sind aufwendig, dasAusschleusen des Salzes aus demP r ozeß ebenfalls. Vo rte i l h a f te rwäre es, Säure bz w. Lauge genaunach Bedarf bereitzustellen undnach der Neutralisation aus demSalz wiederzugewinnen. Genaudiese Spaltung anorganischerSalze in die korrespondierendenSäuren und Laugen leisten soge-n a n n te „bipolare Membranen“.Somit erlauben sie im Sinne desp r o d u k t i o n s i n te g r i e rten Umwelt-schutzes die Installation ge-schlossener Kreisläufe für Säurenund Laugen und die Ve r m i n d e r-ung der Salzlast von Abwässern.

Eine bipolare Membran ist vereinfachtein Laminat aus einer Anionen- undeiner Kationenaustauschermembran.Ihre Wirkung beruht darauf, daß sienicht nur eine Sperre für den Tr a n s-p o rt von Ionen darstellt, sondern beiStromfluß in die an die Kathode an-grenzende Elektrolytlösung Hydro-niumionen und in die der Anodezugewandte Lösung Hydroxylioneneinspeist. Ort der Entstehung dieserIonen ist die Grenzschicht zwischenAnionen- und Kationenaustauscher-membran, Quelle ist das aus denumgebenden Lösungen immer wie-der in die Membranen eindiffundie-rende Wa s s e r. Diese elektrodialyt i s c hk a t a l y s i e rte Wa s s e r d i s s oziation istenergetisch vorteilhafter als die be-kannte elektrolytische Wa s s e r s p a l t u n g .

Die Herstellung bipolarer Membranenist nach dem Stand der Technik eink o m p l i z i e rter Mehrstufenprozeß, ent-sprechend hoch ist der Preis derwenigen kommerziell verf ü g b a r e nTypen. Beides limitiert die Einführungdieser noch jungen Te c h n o l o gie in die

industrielle Praxis. Wegen des Einsatz-potentials und auch aus dem Grunde,daß es sich bei den bipolaren Mem-branen um einen Ve rtreter einerneuen Generation von Membranenhandelt, welche Separation und Reak-tion miteinander verbinden, wurden1996 bei GKSS Arbeiten zur Entwick-lung derartiger Membranen aufge-nommen. Ziel war deren Herstellungnach einem neuen kostengünstigereneinstufigen Ve rfahren bei konkurrenz-fähiger Leistung.

Es mußten also ein geeignetes Mem-b r a n h e r s t e l l u n g s v e rfahren konzipiertund dafür die passenden Ionenaus-tauscherpolymere bereitgestellt wer-den. Passend heißt, daß im Gegen-satz zur separaten Herstellung der An-ionen- und der Kationenaustauscher-schicht z.B. Quellungsvermögen undStabilität aufeinander abz u s t i m m e nwaren. Andererseits mußten sich dieMembranbildungsbedingungen anden technischen Möglichkeiten derZiehmaschine orientieren, welchewiederum genügend Spielraum fürdie Polymerentwickler zu lassen hatte.Die Komplexität dieser Zielstellungsetzt abteilungs- und institutsübergr e i-

fendes Arbeiten voraus. Ferner war esdas Ziel, die Möglichkeiten nationalerund internationaler Kooperation für dieForschungs- und Entwicklungsarbeitenzu nutzen. Im Rahmen der Projekt-bearbeitung wurden von den GKSS-A r b e i t s gruppen in Teltow die benötig-ten Polymere maßgeschneidert. Diefür die Funktionalisierung verwendetenPo l y - ( G M A - c o - MM A ) - R e a k t i v c o p o l y-mere stellen eine bis zum Upscalingg e f ü h rte Eigenentwicklung dar. Es sindProdukte mit gezielt einstellbarerE p o x y - Konzentration (für die nach-trägliche Optimierung des Ionisie-r u n g s grades) und Molmasse (für dieOptimierung von Membranbildungs-verhalten und -morphologie) sowieeiner hohen chemischen Einheitlich-keit erhältlich. Von diesem Elternpoly-mer ausgehend können sowohl An-ionen- als auch Kationenaustauscher-materialien in kleintechnischem Maß-stab hergestellt werden.

Für die Ve rformung dieser Materialienwurde in Zusammenarbeit zwischenMembranherstellern in Teltow undKonstrukteuren in Geesthacht eine sehrflexibel konfigurierbare Membranzieh-maschine konzipiert und in der Geest-

Mit der abgebildeten Membranziehanlage – im Vordergrund die Aufwickeleinrichtung – könnenbipolare Membranen kontinuierlich hergestellt werden.

Umweltschonender Quell für Säure und La u g e :Neutralisationsprozeßtechnik mit bipolaren Membranen


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griffe auf Tabellen und Ve r w e n d u n gvon Kugelpolynomen wurde es ge-nügend schnell gemacht, um die fürdas Training eines Netztes erf o r d e r l i-chen rund 50 000 Spektren berech-nen zu können.

Die Vo r w ä rtsrechnungen mit demM o n t e -C a r l o - S t r a h l u n g s ü b e rt r a g u n g s-modell und das Training des neuro-nalen Netzes sind sehr zeitaufwen-dig. Sie erfordern für ein einzigesNetz insgesamt rund zwei Wo c h e nRechenzeit auf mehreren Wo r k-station-Rechnern im Pa r a l l e l b e t r i e b .Dieser Aufwand ist jedoch nur ein-mal notwendig: Ist das neuronaleNetz erst berechnet, lassen sich ausden Reflexionsdaten der Satelliten-messungen extrem rasch die ge-suchten Konzentrationen ermitteln.Durch die Trennung von Modell undA u s w e rtealgorithmus ergibt sich eingroßer Vo rteil. Für die Berechnungder Trainingstabellen kann durchausein realistisches und damit rechen-intensives Strahlungsübert r a g u n g s-modell verwendet werden, das aufStrahldichterechnungen basiert, opti-sche Eigenschaften – Absorptionund Streuung – verwendet und alleWechselwirkungen beinhaltet, diesich auf die Strahldichtevert e i l u n g

auswirken. Hierzu gehören eine vomWind abhängige rauhe Wa s s e r o b e r-fläche und eine realistische Atmo-sphäre, Zirruswolken, Aerosole undM e h rfachstreuungen eingeschlossen.Alle Kenntnisse über die Physik desS t r a h l u n g s t r a n s p o rtes und der Sig-nalentstehung im Vo r w ä rt s m o d e l lund anschließend über das Tr a i n i n gim neuronalen Netz können berück-s i c h t i gt werden.

Das GKSS-Ve rfahren deckt gemäßE S A - Forderung einen großen Ko n-zentrationsbereich ab: 0,05 bis 50M i l l i gramm Schwebstoff pro Liter,Pigment entsprechend 0,03 bis 30M i l l i gramm Chlorophyll pro Liter undeine Gelbstoffabsorption bei 440Nanometern Wellenlänge von 0,02bis 2 m- 1. Ferner sollen Sonnenzenit-winkel von 0 bis 80 Grad undBeobachtungswinkel von 0 bis 45Grad bei allen Azimutwinkeln be-r ü c k s i c h t i gt werden.

Für diesen We rtebereich ergebensich für eine einzelne Substanz jenach Konzentration der anderenSubstanzen sehr unterschiedlicheBestimmungsunsicherheiten. DerenWe rte lassen sich aus den Simula-tionsrechnungen und aus Tests des

neuronalen Netzes ableiten. So kannfür einen vorgegebenen Unsicher-h e i t s w e rt festgelegt werden, in wel-chem Gültigkeitsbereich des Algorith-mus' die zuverlässige Bestimmungvon Konzentrationsgemischen mög-lich ist. Die wissenschaftlichenGrundlagen der Algorithmen und die Testergebnisse wurden in AT BD s(Algorithm Theoretical BaselineDocuments) dokumentiert. Diesewurden einer internationalen Begut-achtung und Qualitätskontrolle unter-zogen und sind über Internet verf ü g-bar (http://envisat.estec.esa.nl).

Wichtigste Aufgabe vor dem Start vonE N V IS AT Ende 1999 ist die Va l i d i e-rung und Verbesserung der Algorith-men mit Hilfe von Meßdaten. Nachdem Start steht die Validierung derDatenprodukte mit Hilfe von in-situ-Beobachtungen im Vo r d e r grund. Hier-zu werden im Rahmen der Progr a m-me MAST und Climate & Environ-ment der Europäischen Gemeinschaftzwei Forschungsprojekte gefördert ,die der Untersuchung der optischenEigenschaften von Kü s t e n g e w ä s s e r ndienen. GKSS ist zusammen mit Ar-b e i t s gruppen aus sechs europäischenLändern an beiden Projekten betei-l i gt. Im Projekt COA ST LOOC werdendie optischen Eigenschaften mög-lichst vieler Küstengewässer desMittelmeers, der Atlantikküste undder Nord- und Ostsee ermittelt. ImProjekt CO LO RS werden an den dreiReferenzstationen Adria vor Ve n e d i g ,Kanal vor Plymouth und Helgolandüber zwei Jahre Zeitserien aufge-nommen, um die jahreszeitlichenSchwankungen der optischen Eigen-schaften zu bestimmen.

DetektorEdLw(θ,φ)

Direkte Sonnenstrahlung

Rauhe Wasseroberfläche

Himmelsstrahlung

Konzentrationen vonChlorophyll undSchwebstoff,Gelbstoffabsorption

Mit dem Monte-C a r l o -S t r a h l u n g s t r a n s p o r t-modell wird im Computer der Weg einzelnerPhotonen durch die Atmosphäre und dasWasser bis zum Detektor verfolgt, der hier imComputermodell gerade oberhalb der Wa s s e r-oberfläche plaziert wurde. Dabei werden dieEreignisse Streuung und Absorption nach denbekannten Wahrscheinlichkeiten (optischeEigenschaften von Luft und Wasser und denKonzentrationen von Aerosolen und Wa s s e r-inhaltsstoffen) mit Zufallszahlen berechnet.Für ein Spektrum muß das Schicksal von vie-len Millionen Photonen berechnet werden.

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hachter Werkstatt gefert i gt. ZentralesElement ist eine Mehrschlitzdüse, diedie simultane beidseitige Beschich-tung eines Netzes oder Vlieses, wel-ches als Träger dient, mit den beidenunterschiedlich geladenen Po l y m e r-lösungen gestattet. Dies ermöglichtdie Herstellung bipolarer Membranenin dem angestrebten einstufigen Pro-zeß. Bei der Realisierung dieses Ve r-fahrens galt es, in umfangr e i c h e nUntersuchungen die optimalen Pa-rameter für die Verarbeitung unter-schiedlich ionischer Po l y m e r l ö s u n g e n ,welche sich bei Kontakt zum Teil gr u n d-sätzlich anders verhalten als Lösungenneutraler Polymere, zu ermitteln.Für die grundlegende Charakterisie-rung der Versuchsmuster wurden inTeltow elektrochemische Messungendes Widerstandes, der Pe r m s e l e k t i v i t ä tund der Produktivität durchgeführt .D e r a rtige Messungen gestatten, diezu erwartende Energi e ö k o n o m i e ,Produktreinheit und Effizienz bei Ve r-wendung der entwickelten Membra-nen abzuschätzen. Ferner dienen dieso gewonnenen Daten in Rückkopp-lung mit der Produktentwicklung derOptimierung der Sy n t h e s e b e d i n g u n-gen und der Membranherstellungs-p a r a m e t e r. Gleichzeitig liefern sie dasMaterial für tiefergehende Analysenzum Thema „Wa s s e r s p a l t u n g s m e c h a-nismus in bipolaren Membranen“.Diese gr u n d l a g e n o r i e n t i e rten Arbeitenwerden im Rahmen eines vom BMBFg e f ö r d e rten Projekts zusammen mitWissenschaftlern der Ts c h e c h i s c h e n

Akademie der Wissenschaften in denJahren 19 97 und 1998 durchgeführt .Ziel dieses Projekts ist das bessereVerständnis der grundlegenden Mech-anismen in der bipolaren Membranund die Schaffung der Vo r a u s s e t z u n-gen, um mittels Variation der Po l y m e r-eigenschaften und der Membranher-stellung jeweils die optimale Leistungder Membran unter den aktuellenAnwendungsbedingungen zu errei-chen. Dabei kommen GKSS die um-f a n greichen methodischen Erf a h r u n-gen des Ko o p e r a t i o n s p a rtners zugute.

Für die anwendungsorientierten Un-tersuchungen größerer Membran-muster von der Ziehmaschine wurdendie in Geesthacht existierenden meß-

technischen Kapazitäten genutzt. Dieersten Ergebnisse waren überzeugendgenug, einen nationalen Ko o p e r a-t i o n s p a rtner in der Industrie zu gewin-nen. Auf seine speziellen Einsatzan-forderungen hin wird nun die Sy n-these zugeschnitten und die Mem-branentwicklung im Zeitraum 19 9 8bis 1999 vorangetrieben. Diese Ko n-zentration auf ein Anwendungsfelderlaubt eine schnellere Umsetzungder GKSS-Problemlösungsansätze inein wirtschaftlich verwert b a r e sP r o d u k t .

Ein gegenseitiger Informations- undE rfahrungsaustausch zwischen denauf diesem Gebiet tätigen Entwicklernund Anwendern ist Ziel eines interna-tionalen, von der EU gefördert e nNetzwerks unter dem Titel „Anwen-dung bipolarer Membranen zur Re-duzierung der Umweltbelastung undfür saubere Produktionsverfahren“, beidem GKSS als Ke r n p a rtnerin 1998 bis2000 beteiligt ist. Dieses Netzwerksoll Kontakte vermitteln, den Aus-tausch von Wissenschaftlern undIngenieuren zwischen Industrie undForschungsinstitutionen ermöglichenund somit Entwicklungsarbeiten mitdem Ziel einer raschen Überf ü h r u n gin die Praxis kanalisieren helfen. Ausdiesen Kooperationen werden zusätz-liche Anregungen für die We i t e r e n t-wicklung der bipolaren Membranene r w a rtet.

Wesentlich für den Erfolg der Arbeiten mit der Membranziehanlage ist die Umsetzung der imGramm-Maßstab synthetisierten La bormuster der Ionenaustauscher-Polymere auf den kleintech-nischen Kilogramm-Maßstab.



Umweltforschung

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neuronale Netz ein nichtlineares,multiples Regr e s s i o n s v e rfahren. Beieiner linearen Regression zwischenzwei Variablen müssen lediglichSteigung und Lage der Ausgleichs-geraden bestimmt werden. Ein neu-ronales Netz enthält dagegen eineVielzahl von zunächst freien Pa r a-metern, die in der „Lernphase“ mit-tels bekannter Reflexions- und Ko n-z e n t r a t i o n s w e rte festgelegt werden.So wird das neuronale Netz gleich-sam darauf trainiert, anschließendaus gemessenen Reflexionswert e nauf die gesuchten Ko n z e n t r a t i o n s-w e rte zurückzuschließen.

Zum Training des neuronalen Netzeswird eine Tabelle verwendet, für diemit einem mathematischen Strah-l u n g s ü b e rtragungsmodell aus vorge-gebenen We rten für Ko n z e n t r a t i o nsowie Sonnen- und Beobachtungs-winkel „v o r w ä rts“ die dazugehörigenStrahldichtereflexionen errechnetwerden. Das Netz wird nun darauft r a i n i e rt, umgekehrt aus den Strahl-dichtereflexionen und den Wi n k e l ndie Konzentrationen ermitteln zukönnen. Für dieses Training mußeine große Zahl von Spektren be-rechnet werden, die den späterenAnwendungsbereich umfassen, da-mit das Netz die komplizierten nicht-linearen Zusammenhänge auch be-schreiben kann. Zur Berechnung derTrainings- und Testdaten für das Netzwurde bei GKSS eigens ein soge-nanntes Monte-C a r l o - S t r a h l u n g s-ü b e rtragungsmodell für das Sy s t e mOzean–Atmosphäre entwickelt. Mitnumerischen Maßnahmen wie Zu-

∑WiXi

X1

X2

X3

o

X4

Schema Neurales Netzwerk

R1

R2

R3

W

Chlorophyll

Schwebstoff

Gelbstoff

versteckte SchichtDas Neuronale Netz

Ein neuronales Netz besteht aus einer Schicht Eingangsneuronen, einer Schicht Ausgangs-neuronen

und einer oder mehreren Zwischen-schichten. Für den Gewässeralgorithmus werden an die Eingänge die

Reflexionswerte (R) sowie die Beobachtungs-, Sonnenwinkel eingegeben (W). An der

Ausgangsschicht werden als Ergebnis der Berechnung

die Konzentrationen ausgegeben. An jedem „Neuron“ (vergrößerter Ausschnitt) werden die Eingangswerte

jeweils mit einem Koeffizienten und einem Schwellwert gewichtert und dann die Summe über eine

Sigmoidfunktion allen Neuronen der nächsten Schicht zugeführt. Die s-förmige Sigmoid-funktion bewirkt das

nicht-lineare Verhalten des Netzes. Damit das Netz aus den Reflexions-werten die richtigen Konzentrationen bestimmen kann, müssen die Koeffizienten aller

Neuronen richtig gesetzt werden (Training des Netzes). Im Falle des GKSS Algorithmus werden zum Training

Ergebnisse von Rechnungen mit einem Strahlungs-übertragungsmodell verwendet.

Das hier gezeigte Schema ist stark vereinfacht.

EingangsschichtReflexionswerteund Winkel

AusgangsschichtKonzentrationen

Die linke Hälfte der Abbildung zeigt Rechnun-gen, die für den Einsatz des neuronalenNetzes vorbereitet werden müssen. Mit demStrahlungsübertragungsmodell werden füreine große Anzahl verschiedener Ko n z e n t r a-tionen von Phytoplankton, Schweb- und Gelb-stoffen sowie Sonnen- und Beobachtungs-winkeln die Reflexionswerte berechnet. Mitdieser Tabelle wird das Netz trainiert undgetestet und kann nun aus den Reflexions-werten umgekehrt die Konzentrationen be-rechnen. Dieses Netz wird anschließend – wiein der rechten Abbi ldungshälfte dargestellt –operationell zur Auswertung der MERI S - D a t e nnach der Atmosphärenkorrektur verwendet.Für regionale Anwendungen lassen sich auchverschiedene angepaßte neuronale Netzeberechnen und einsetzen.

optische EigenschaftenAtmosphäre

Parameter

Modell Rechnung Reflexionsspektren des

Wassers

Trainings Tabellen

Koeffizienten des Neuronalen Netzes

(NN)

Test Tabellen

HilfsdatenMERIS

Messung

Atmosphärenkorrektur

Auswahl Region

globales NN

Konzentrationen der Wasserinhaltsstoffe

und Fehlercode

Konzentrationen Winkel

regional subroutine

optional

Vorbereitung Betrieb

regional subroutineregionales

NNoptional

Tests der Ergebnisse

Gültigkeits-bereich des Algorithmus

Reflexion Winkel

Das stark vereinfachte Schema zeigt die Funk-tion eines neuronalen Netzes. Es besteht auseiner Schicht Eingangsneuronen, einer SchichtAusgangsneuronen und einer oder mehrerenZwischenschichten. Für den Gewässeralgorith-mus werden an die Eingänge die Reflexions-werte (R) sowie die Beobachtungs-, Sonnen-winkel eingegeben (W). An der Ausgangs-schicht werden als Ergebnis der Berechnungdie Konzentrationswerte ausgegeben. Anjedem „Neuron“ (vergrößerter Ausschnitt)werden die Eingangswerte jeweils mit einemKoeffizienten und einem Schwellwert gewich-tet und dann die Summe über eine Sigmoid-funktion allen Neuronen der nächsten Schichtzugeführt. Die s-förmige Sigmoidfunktionbewirkt das nichtlineare Verhalten des Netzes.Damit das Netz aus den Reflexionswerten dierichtigen Konzentrationen bestimmen kann,müssen die Koeffizienten aller Neuronen rich-tig gesetzt werden (Training des Netzes). ImFalle des GKSS-Algorithmus’ werden zumTraining Ergebnisse von Rechnungen mit einemStrahlungsübertragungsmodell verwendet.

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Die Elbe ist ein grenzüberschrei-tender Tr a n s p o rtweg für Fr a c h te naller Art. Dies gilt auch für Schad-stoffe aus Tschechien. Der Unte r-lauf der Elbe, insbesondere derHamburger Hafen als stromberu-h i gte Zone, ist dabei die bevor-z u gte Schadstoffsenke. Unte r-suchungen zeigen, daß die Haupt-fracht der industriellen Schad-stoffe durch einige wenige indu-strielle Einleiter verursacht wird.Dazu gehört mit erheblichenQuecksilbereinleitungen die tsche-chische Firma Spol-Chemie AG ,an der Bilina gelegen, einem klei-nen Fluß, der 30 Kilometer hinte rder deutschen Grenze in die Elbefließt. Zur Verbesserung der Ge-w ä s s e r g ü te von Elbe und Nordseehat sich die Freie und HansestadtHamburg an den abwasserte c h n i-schen Sanierungsmaßnahmen derSpol-Chemie bete i l i gt und GKSSfür die erste Sanierungsphase mitder Überprüfung des Baufort s c h r i t t sund der einzusetzenden Analysen-sowie Proz e ß techniken beauf-t r a gt. Ein Ve rfahrensvorschlag derG KSS erbrachte die Reduzierungder Quecksilber-Emission ummehr als 50 Prozent, welchesZielvorgabe der Freien und Hanse-stadt Hamburg war.

Die Quecksilber-Emissionen derS p o l -Chemie fallen vorwiegend imBereich der anorganischen Produktean, da in den ElektrolyseanlagenQuecksilber als Kathodenmaterial zurHerstellung von Natron- und Kali-lauge, Chlor und Wasserstoff einge-setzt wird. Vor der Neuordnung desAbwassersystems vermischten sichdie hochbelasteten mit den unbela-steten Abwässern und gelangt e nunbehandelt in den Vo rfluter unddamit in die Elbe. Der gesamte

Abwasserstrom entsprach einemDurchsatz von ca. 30 Ku b i k m e t e r npro Stunde mit einem Anteil vonmehr als vier Gramm Quecksilber proKubikmeter Abwasser. Die Chlorid-gehalte erreichten Höchstwerte bis1600 Milligramm Chlor pro Liter. DieQ u e c k s i l b e rfracht war Anfang derneuziger Jahre unvermindert hoch:Sie lag 1994 bei ca. 1,8 und 19 9 5bei ca. 1,4 Tonnen Quecksilber, dasin die Elbe eingeleitet wurde. Durchihre finanzielle Beteiligung wollte dieFreie und Hansestadt Hamburg er-reichen, daß die Quecksilber-Emis-sion bereits während der ersten Um-bauphase um mindestens 50 Pro-zent reduziert wird. GKSS überprüftedie Planungsunterlagen für die Neu-ordnung des Entwässerungssystemsund der Abwasserbehandlungsan-lage. Als Subkontrakter wurden BunaSow Leuna Olefin-Verbund GmbH,Schkoppau, sowie GALAB GbR,Geesthacht, hinzugezogen.

Die durchschnittliche Quecksilberkonzentration von 1,4 Milligramm pro Liter konnte nachInbetriebnahme der Anlage auf 0,4 Milligramm pro Liter gesenkt werden.

Die Freie und Hansestadt Hamburg beteiligtesich an der Finanzierung der Abw a s s e r-sanierung der tschechischen Spol-Chemie. Im stromberuhigten Hamburger Hafen sedi-mentiert ein großer Teil der mit der Elbetransportierten Stoffe.

Weniger Quecksilber auf dem Weg nach Hamburg Verfahrenstechnik saniert Abwasser vor Ort


ten: In der ME RIS Scientific AdvisoryGroup der ESA werden die Ent-scheidungen in allen wesentlichenFragen zum Gerät und zur Daten-nutzung vorbereitet. Als Mitglied ineinem Ko n s o rtium aus Fo r s c h u n gund Industrie entwickelt und validiertGKSS im Auftrag der ESA Algorith-men für die Fernerkundung vonKüstengewässern und für die Atmo-s p h ä r e n k o r r e k t u r. Im Rahmen dernationalen und von der EU geförder-ten Projekte untersucht es die opti-schen Eigenschaften von Kü s t e n g e-w ä s s e r n .

Die Mitarbeit an dem Projekt hateine lange Vorgeschichte. Bereits1986 wurden federführend vonGKSS zusammen mit Pa rtnern dieersten Studien für die ESA durchge-f ü h rt, die die Grundlagen für dieabbildende Spektroskopie zur Fe r n-erkundung von Gewässern, Wo l k e nund Aerosolen gelegt haben. MitR O S IS wurde in Zusammenarbeitmit der DLR und der DASA die Flug-z e u gversion eines abbildendenSpektrometers entwickelt, das vonder ESA in Pilotprojekten zur Vo r-bereitung der ME RIS-Mission einge-setzt wurde. Das Institut für We l t-

raumwissenschaften der FU Berlin,geleitet von einem früheren GKSS-M i t a r b e i t e r, ist im Rahmen desME RIS-Projektes für die Atmosphären-anwendung zuständig. Die FirmaScicon, deren Geschäftsführer eben-falls aus der GKSS-Arbeitsgr u p p estammen, hat Aufträge der ESA fürdie Entwicklung der Architektur desBodensegmentes übernommen, istfür das Controlling der Wi s s e n-s c h a f t l e rteams zuständig und wirktan dem BMBF-Projekt MAPP mit.

Kern der Entwicklung der GKSS-Ar-b e i t s gruppe für ME RIS ist ein Ve r-fahren zur Ko n z e n t r a t i o n s b e s t i m-mung der Inhaltsstoffe von Kü s t e n-gewässern. Hierzu gehören Phyt o-plankton, Schwebstoffe und Gelb-stoffe. Bisher für andere Satelliteneingesetzte Auswert e v e rfahren, diesich nur auf die Bestimmung derChlorophyllkonzentration im offenenOzean beziehen, versagen in Kü s t e n-gewässern, deren optisch sichtbareWasserinhaltsstoffe aus einem Ge-misch verschiedenartiger Substanzen

bestehen. ME RIS wurde nun geradefür Küstengewässer optimiert unde rf o r d e rt daher neue Auswert e v e r-fahren.

Das von GKSS zu entwickelnde Ve r-fahren zur Datenauswertung soll, sof o r d e rte es die ESA, global für alleKü s t e n r e gionen anwendbar sein undgleichzeitig im offenen Ozean dieBestimmung geringer Pigmentkon-zentration (unter 0,1 Mikrogr a m mChlorophyll pro Liter) ermöglichen.Darüber hinaus ist ein effizientesVe rfahren gefordert, mit dem diegroßen Datenmengen bearbeitetwerden können, die ME RIS liefernwird. Das bei GKSS für Kü s t e n g e-wässer entwickelte Ve rfahren der ite-rativen inversen Modellierung derS t r a h l u n g s ü b e rtragung mußte daherwesentlich verbessert werden.

Es wurde eine Methode entwickelt,bei der die Bestimmung der Ko n-zentrationen aus den Reflexionswer-ten mit einem sogenannten neuro-nalen Netz erf o l gt. Im Prinzip ist das

Die blaue Kurve zeigt eine Messung von klarem Wasser der zentralen Nordsee. Die hoheReflexion im blauen Wellenlängenbereich, zwischen 400 und 500 Nanometern, bestimmt dieBlaufärbung klaren Meerwassers. Im Küstenwasser (grüne Kurve) wird dieser Strahlungs-bereich durch Phytoplankton-Farbstoffe und Gelbstoffe absorbiert, während die Reflexion imroten Spektralbereich angehoben wird. Hier ist auch ein Maximum bei 685 Nanometern zusehen, das von der Fluoreszenz des Phytoplanktons verursacht wird. Die rote Kurve zeigt einePlanktonmassenblüte von rötlich gefärbten Algen („Red Tide“). Hier verursachen rote Pigmen-ten (Karotinoide) die Minima in der Reflexion. Die grauen Balken deuten die Lage der geplanteSpektralkanäle von MERIS an. Aus den Messungen bei diesen Wellenlängen lassen sich dieverschiedenen Substanzen und das Phytoplankton identifizieren und die jeweiligen Ko n z e n t r a-tionen bestimmen.

Reflectance Spectra North Sea with first 10 MERIS bands

400 450 500 550 600 650 700 750 8000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

0.014

lambda [nm]

reflectance

Mit der Optiksonde der GKSS werdenVertikalprofile von Absorption und Streuungder Wasserinhaltsstoffe sowie Salzgehalt undTemperatur gemessen und gleichzeitigWasserproben genommen.

37

Die Neuordnung des Abwassersy-stems sollte in zwei Phasen erfolgen:

Phase 1: Trennung der quecksilber-belasteten Abwässer,

Phase 2: Reduzierung der Queck-s i l b e rf r a c h t .

Aus den Planungen ergab sich einprinzipieller Konflikt zwischen demVorgehen der Spol-Chemie und derZielvorstellung der UmweltbehördeHamburg, die Quecksilbereinträgeum mindestens 50 Prozent zu redu-zieren: In Phase 1 wollte Spol-C h e m i enur Abwasser sammeln und dessenMenge und Zusammensetzungbestimmen. Diese Vo r g e h e n s w e i s ehätte zu keiner Reduzierung derQuecksilbereinträge geführt. Als Dis-kussionsbasis und zur schnellerenEntscheidungsfindung hat GKSS aufBasis der übergebenen gesamtent e c h n o l o gischen Unterlagen einFließbild erstellt und Spol-C h e m i ezur Überprüfung und Genehmigungzugeleitet. Fließbild und Te r m i n p l a nwaren die Basis für die spätere B e-gutachtung des Arbeitsfort s c h r i t t e s .

Um die gewünschte Quecksilber-reduktion zu erzielen, wurde vonGKSS als Consultant empfohlen, eins p ezielles Absetzsystem in den vor-gesehenen Sammelprozeß zu inte-grieren. Mit einem Behältervolumenvon rund 100 Kubikmetern und dervorgeschlagenen Abwasserf ü h r u n gsollte ein effektives Absetzen bela-steter Pa rtikel bz w. Pa rt i k e l a g g l o-merate erreicht werden. Spol-C h e m i ee r k l ä rte sich bereit, den Vo r s c h l a gvon GKSS umzusetzen. Trotz der da-mit verbundenen zusätzlichenPlanungsarbeit verzögerte sich dieInbetriebnahme der Anlage nur umzwei Monate. Nach Inbetriebnahmekonnte der sich absetzende Schlammzusammen mit dem darin enthalte-nen Quecksilber diskontinuierlich ausdem Absetzbehälter abgezogen wer-den. Das Klarwasser gelangt über denÜberlauf des Absetzbehälters ohneweitere Behandlung in das Kanal-system und den Vo rf l u t e r.

Q u e c k s i l b e r -C h l o r - Komplexe sind gutwasserlöslich und weisen nur gerin-

ge Adsorptionseigenschaften auf, sodaß sie kaum mit anderen Fe s t s t o f-fen absetzbar sind. Ferner vermagreaktives Chlor elementares Queck-silber zu oxidieren und in die lösli-che Form zu überführen. Aufgr u n dder Empfehlungen von GALAB wur-den neben der Konzentration vonQuecksilber und Natronlauge auchdie Konzentration an aktivem undgelöstem Chlor im Abwasserstromgemessen. Dabei wurde deutlich,daß es einen Zusammenhang zwi-schen Chlorid- und Quecksilberkon-zentration im Überlauf des Absetzbe-hälters gibt. Dies belegt, daß durchdie empfohlene Integration einerweiteren Vorbehandlungsstufe ineinem chloridhaltigen Teilstrom dieAbscheiderate des installierten Ab-setzsystems wesentlich erhöht wer-den kann und damit die Quecksil-bereinträge in die Umwelt weiterreduzierbar sind. Eine weitere Emp-fehlung betraf die Installation einerkontinuierlichen Überwachung desQuecksilbergehaltes im Abwasser-strom der Spol-Chemie. Im Bedarf s-fall können dadurch rechtzeitig be-triebsinterne Maßnahmen eingeleitetw e r d e n .

Im Rahmen des Projektes wurde das Entwässerungssystem am Chlor-

A l k a l i - S t a n d o rt neu geordnet, undder quecksilberbelastete Abwasser-anfall konnte von ca. 30 auf fünfKubikmeter pro Stunde reduziertwerden. Es wurde ein neues Absetz-system mit einem 100 Kubikmeter fassenden Absetzbehälter installiert .In dem Behälter sammelt sich amBoden der absetzbare Anteil derQ u e c k s i l b e rfracht, im wesentlichenelementares Quecksilber und anFeststoffe gebundenes Quecksilber.Auch ohne die Integration der vorge-schlagenen Chlorseparation erwiesensich die durchgeführten Maßnahmenals äußerst erf o l greich. Die Queck-s i l b e r -Emissionen von ehemals 1 , 59 Tonnen im Jahr 1996 konntenauf 0,47 Tonnen im Jahr 19 97gesenkt werden, was einer Redu-zierung um 68 Prozent entspricht.Damit ist das ehrgeizige Projekt derUmweltbehörde Hamburg und derGKSS, die Quecksilberemission um50 Prozent zu senken, noch über-troffen worden.

Die erf o l greich durchgeführten Maß-nahmen bei der Spol-Chemie ver-deutlichen, daß durch eine maßge-s c h n e i d e rte Prozeßtechnik – auchohne großen finanziellen Aufwand –a u s g ezeichnete Sanierungserf o l g eerzielt werden können.


Die von GKSS vorgeschla-genen verfahrenstechnischenKonzepte einer optimiertenA bwasseraufbereitung führ-ten zur erheblichen Reduktiondes Quecksilbereintrages indie Bilina durch die Spol-Chemie.


gewünschten Informationen aus den Terabit an Meßdatenmengenh e r a u s g e f i l t e rt werden können.

Eines der neun ENVIS AT- M e ß g e r ä t eist das abbildende SpektrometerME RIS (Medium Resolution Imagi n gSpectrometer), das dazu dient, denZustand von Biosphäre und Atmo-sphäre zu untersuchen. Gemessenwerden das Phytoplankton im Meerund in großen Binnengewässern, dievon ihm geleistete Primärproduktionals wichtigste Größe in Nahrungsnetzund Kohlenstoffhaushalt sowie dieVe rteilung und der Tr a n s p o rt vonSchwebstoffen in Küstenmeeren. DerZustand der Landoberfläche wird anHand von Messungen von Ve g e t a-tion, Boden und Besiedlungsstrukturuntersucht. Für die Klimaforschungwerden die Größen gemessen, diebei der Vorhersage des Klimas bisherdie größte Unsicherheit verursachen:optische Dicke, Albedo und Höhen-lage von Wolken, Art und optischeDicke von Aerosolen sowie Wa s s e r-dampfgehalt der Atmosphäre.

ME RIS wird die Erdoberfläche in 15engen spektralen Bändern im We l-lenlängenbereich zwischen 400 und1000 Nanometern aufnehmen. Diespektrale Lage und die Breite derKanäle können erstmalig auch wäh-rend des Fluges progr a m m i e rt wer-den. Mit fünf Kameras wird die Erdein zwei bis drei Tagen mit einer Strei-fenbreite von 1150 Kilometern undeiner Auflösung von 300 Metern – über dem küstenfernen Ozean1200 Meter – aufgenommen. Herz-stück jeder Kamera ist eine an einSpektrometer gekoppelte CC D- M a-trix, auf der in der einen Dimensionder Ort quer zur Flugrichtung inForm einer Bildzeile abgebildet wirdund in der anderen Dimension dasSpektrum der pro Bildelement emp-fangenen Strahlung. Mit ME RIS ein

Meßgerät zu entwickeln, das diehohen Anforderungen an die radio-metrische Güte erfüllt, bildet eineHerausforderung an Ingenieurleistun-gen. Ebenso hohe Anforderungenwerden an die Ve rfahren gestellt, mitdenen die Rohdaten in geophysikali-sche und biogeochemische Daten-produkte umgesetzt werden, ausdenen der Nutzer dann die Informa-tionen zur Forschung, Umweltüber-wachung und Planung ziehen kann.Ein Netzwerk von Experten, von derESA zur Entwicklung der ENVIS AT-Mission gebildet, soll die Anforderun-gen an Technik und Datenauswer-tung erfüllen. Ergänzend werden vonder Europäischen Gemeinschaft Un-tersuchungen gefördert, die die Nut-zung der Erderkundungssatelliten

wesentlich verbessern sollen. Für dasabbildende Spektrometer ME RIS istGKSS in dieses Netzwerk eingebun-den. Ihre Aufgaben erstrecken sichvon der Untersuchung zur Gewässer-optik über die Algorithmenentwick-lung, die Festlegung von Spez i f i k a t i o-nen und die Validierung der Daten-produkte bis hin zur Zusammenar-beit mit Datennutzern. Auch im na-tionalen Rahmen wird die Nutzungvon ENVIS AT unterstützt. So koordi-n i e rt GKSS das Fo r s c h u n g s p r o j e k tM A PP, das für ME RIS mit einer Lauf-zeit von fünf Jahren durch das BMBFg e f ö r d e rt wird.

GKSS ist mit ihrer Abteilung für Bio-optik und Fernerkundung in mehre-ren Gremien und Projekten vert r e-

43

Umweltforschung

EN V I S AT ist mit neun Meßgeräten, einer Höhevon zehn Metern und einem Gewicht von überacht Tonnen der bisher aufwendigste Erder-kundungssatellit der ESA. Das Bild zeigt ihn inder Montage- und Erprobungshalle im Te c h-nologiezentrum ESTEC der ESA in Nordwijk,Niederlande. Informationen zum EN V I S AT unddie AT BD-Dokumente sind im Internet unterhttp://envisat.estec.esa.nl abrufbar.

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Die Vermeidung und die Be-handlung von Abfällen ist in denl e t z ten Jahren zu einem immerwichtigeren Bestandteil desUmweltschutzes geworden. Mit einer sinnvollen Abfallbe-handlung können nicht nurw e rtvolle Rohstoffe zurückge-wonnen und wiederverwendetwerden, auch die begrenzte nD e p o n i e k a p a z i t ä ten werdengeschont. Mit dieser Zielsetzunghaben die GKSS-Ingenieure einn e u a rtiges Ve rfahren entwickelt,mit dem feinkörnige Fe s t s t o f f eg e r e i n i gt werden können, diemit organischen Schadstoffenb e l a s tet sind. Derartige Abfällefallen z.B. bei der Unte r h a l t u n g s-baggerung von Flußläufen undHäfen, bei der industriellenAbwasserreinigung und derSanierung von Altlasten in einerGrößenordnung von mehr als 1 Million Tonnen pro Jahr inDeutschland an. Die weitere Ve r-fahrensentwicklung wird auch inZusammenarbeit mit anderenForschungseinrichtungen (Bun-desanstalt für Mate r i a l f o r s c h u n gin Berlin, Sonderf o r s c h u n g s-bereich 188 der Deutschen Fo r-schungsgemeinschaft in Ham-burg) sowie einem Koop-e r a t i o n s p a rtner aus der Indu-strie durchgeführt .

Diese feinkörnigen Feststoffe undSchlämme sind häufig hochgr a d i gmit organischen Schadstoffen wiez.B. Mineralöl-Ko h l e n w a s s e r s t o f f e n ,p o l y c h l o r i e rten Biphenylen (PCB)oder polycyclischen aromatischenKohlenwasserstoffen (PAK) belastet.Diese Schadstoffe wirken zum Te i lstark krebserregend und stellen eineGefahr für Umwelt und Gesundheitd a r. Sind diese Stoffe in den Bodeng e l a n gt, besteht immer auch einepotentielle Gefährdung des Grund-wassers, das Grundlage der Tr i n k-wassergewinnung ist. PAK entstehenüberwiegend bei der unvollständigen

Verbrennung organischer Materi-alien. Aber auch an vielen Stand-o rten, an denen Steinkohle oderTeer eingesetzt wurden (z.B. ehe-malige Gaswerke), sind diese Stoffeim Boden zu finden.

Ein häufig angewandtes Ve rf a h r e nzur Sanierung von Altstandorten istdie Bodenwäsche, bei der dieSchadstoffe in einer geringen Boden-menge aufkonzentriert werden.Diese hochbelastete Fe i n k o r n f r a k t i o nmuß bislang deponiert oder inVerbrennungsanlagen mit hohemAufwand nachbehandelt werden.

Vor diesem Hintergrund wurde dasvon GKSS zur Behandlung vonquecksilberbelastetem Boden ent-wickelte und zum Patent angemel-dete GRR- (GKSS-Rohr-Reaktor-) Ve r-fahren so modifiziert, daß auch

Einige Vertreter aus der Gruppe der polycycli-schen aromatischen Ko h l e n w a s s e r s t o f f e( PAK), die in Te e r, Ve r b r e n n u n g s r ü c k s t ä n d e nund in kontaminierten Böden und Sedimentenzu finden sind.

Abfallbehandlung mit Volldampf R o h r r e a k t o r -Verfahren reinigt belastete Böden

Pilotanlage zur Dekontamination feinkörniger Feststoffe nach dem GRR -Ve r f a h r e n .


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Grundlage für die nachhaltigeB e w i rtschaftung der Biosphäresowie für Maßnahmen zumSchutz natürlicher Lebensräumeund der Artenvielfalt ist ein welt-umspannendes Beobachtungs-netz. Die statistische Analyse derB e o b a c h t u n g s d a ten sowie Simu-lationen mit Hilfe von Compute r -Modellen ermöglichen es, dier e gionale und globale Entwick-lung von Klima, Lebensräumenund natürlichen Ressourcen inForm von Szenarien vorherzusa-gen. Damit können frühzeitigVorsorgemaßnahmen getroffenwerden, um ungünstige Entwick-lungen abzuwenden. Basierendauf den Ergebnissen der „GlobalC h a n g e “ - Fo r s c h u n g s p r o g r a m m eund der Konferenz von Rio 19 9 2 ,werden von den führenden We l t-raumbehörden in den nächste nzwei Jahren Umweltsate l l i ten ge-s t a rtet, die für die Beobachtungder Atmosphäre und Biosphäreentscheidende Ve r b e s s e r u n g e nbringen werden.

Die Europäische We l t r a u m b e h ö r d eESA wird Ende 1999 mit der Tr ä g e r-rakete Ariane 5 den UmweltsatellitenE N V IS AT starten und in eine erdnaheUmlaufbahn bringen. Mit neun Meß-

geräten, einer Höhe von zehn Me-tern und einem Gewicht von überacht Tonnen ist ENVIS AT der bishergrößte, aufwendigste und kostspielig-ste Erderkundungssatellit der ESA.Hinzu kommen die UmweltsatellitenEOS-AM1 der amerikanischen We l t-

raumagentur NASA und ADEOS IIder Weltraumbehörde von Japan,N A S DA .Internationale Teams wurden für dieu m f a n greichen Satellitenmissionengebildet. Sie entwickeln neue Aus-w e rt e v e rfahren, entwerfen in Zusam-menarbeit mit Behörden und Orga-nisationen Datenprodukte, die fürÜberwachung sowie nachhaltigeNutzung und Gestaltung unsererUmwelt verwendet werden sollen.Ferner validieren sie die Ve rf a h r e nund Produkte, d.h. sie bewerten siemit Hilfe von simulierten und ge-messenen Testdaten. Denn mit denneuen Meßgeräten, die sich für dieseSatelliten zur Zeit in der Test- undI n t e grationsphase befinden, ergebensich hohe Anforderungen an dieA u s w e rtung der Daten, damit die

Umweltsatellit zur Fernerkundung der Biosphäre Neuronale Netze entschlüsseln Spektraldaten

Das abbildende Spektrometer MERIS, das ab 1999 auf dem ESA-Satelliten EN V I S AT fliegen wird,dient der Fernerkundung des Meeres, der Landoberflächen und der Atmosphäre. Es werdenPhytoplankton sowie Schweb- und Gelbstoffe im Meer bestimmt, die Vegetation und der Zustandder Landoberflächen kartiert sowie wichtige Klimaparameter gemessen, zu denen Ae r o s o l g e h a l t ,Rückstreuung von Wolken, ihre optische Dicke und Höhenlage und der Wa s s e r d a m p f g e h a l tg e h ö r e n .

Abbildende Spektroskopie von Biosphäre und Atmosphäre

WolkenTransparenzHöhe Obergrenze

WasserdampfAerosole

PhytoplanktonPrimärproduktion

SchwebstoffeGelbstoffe

Vegetation / Landnutzung

ENVISATMERIS

Dargestellt sind Schwebstoffkonzentrationen,die mit Hilfe der inversen Modellierung imRahmen des vom BMBF geförderten Küsten-forschungsprojektes KUSTOS aus Daten desWettersatelliten NOAA berechnet wurden.


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Materialien mit organischen Schad-stoffen effizient und wirt s c h a f t l i c hg e r e i n i gt werden können.

Das Kernstück der Anlage bildet einn e u a rtiger Rohrreaktor, der aus demvorgeschalteten Rührkessel miteinem Wa s s e r - Fe s t s t o f f -G e m i s c hbeschickt wird. In dem Rohrreaktorwird die Suspension unter weitererE n e r gi ezufuhr entspannt, so daßeine Spontanverdampfung des ge-samten Wassers eintritt. Gleichzeitigwerden auch alle verdampfbarenSchadstoffe in die Dampfphaseü b e rf ü h rt (Dampfstripping). DerP r ozeß wird bei einem geringenUnterdruck von 0,8 bar betrieben,wodurch ein Entweichen des schad-stoffhaltigen Dampfes in die Umge-bung sicher verhindert wird. In nach-folgenden Trennstufen wird die Gas-phase vom gereinigten und trocke-nen Feststoff getrennt. Die konden-sierbaren Anteile der Gasphase wer-den in einem Sprühkondensatork o n d e n s i e rt und in einem Absetz-behälter gesammelt und ausgetra-gen. Ein Teilstrom der wäßrigenPhase wird dem Kühlkreislauf zuge-f ü h rt, der verbleibende Anteil in derWasserreinigung aufbereitet.

Ein entscheidender Vo rteil des GRR -Ve rfahrens ist der nur äußerst gerin-ge Abgasanteil. Im Normalbetriebl i e gt die Abgasmenge unter 50 0Litern pro Stunde.

Kohlenwasserstoffbeladenes Abgaswird nach katalytischer Oxidation ge-r e i n i gt an die Atmosphäre abgege-ben. Schwermetallhaltiges Abgasdurchläuft eine Gaswäsche mit Fä l-lungsmitteln und nachgeschaltetemKo h l e f i l t e r.

Ein weiterer Vo rteil des Ve rf a h r e n sl i e gt in der sehr geringen Ve r w e i l z e i tdes Materials im Rohrreaktor, wo-durch sich hohe Fe s t s t o f f d u r c h s ä t z eauch bei kleiner Baugröße der An-

lage realisieren lassen. Damit ist dasVe rfahren auch für den mobilen Ein-satz vor Ort geeignet.

Am Beispiel eines mit Mineralölenund PAK belasteten Reststoffs auseiner Bodenwaschanlage konnteg ez e i gt werden, daß mit dem GRR -Ve rfahren organische Schadstoffen a h ezu vollständig aus dem Materialentfernt werden können. Zurückbleibt ein hochwertiger Rohstoff, derauch die strengen Kriterien der LAG A(Länderarbeitsgemeinschaft Abfall)für die Verwendung als Recycling-Baustoff erfüllt.

Im Rahmen der weiteren Entwick-lungsarbeiten soll das Ve rf a h r e nenergetisch optimiert und auch zurBehandlung anderer Abfälle undReststoffe eingesetzt werden. Damitkönnte ein weiterer wert v o l l e rBeitrag im Sinne einer möglichstvollständigen Kreislaufwirt s c h a f tdurch den Einsatz von Sekundär-rohstoffen aus Abfällen geleistet w e r d e n .

Reinigungsleistung des GRR -Verfahrens bei der Behandlung eines PAK-haltigen Reststoffs aus der Bodenwäsche. Die Restbelastung des Materials mit PAK und Mineralöl-Ko h l e n w a s s e r s t o f f e nist so gering, daß es als wertvoller Sekundärrohstoff z.B. in der Bauindustrie eingesetzt werdenk a n n .

Durch Dampfstripping gereinigte Feststoffekönnen einer Wiederverwertung zugeführtw e r d e n .


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Umweltforschung

Umweltforschung dient dazu, daskomplexe Zusammenspiel zwischennatürlichen und anthropogen beein-flußten Parametern von regi o n a l e nund globalen Ökosystemen besserzu verstehen und aus diesem Ve r-ständnis heraus Handlungsempfeh-lungen zu entwickeln mit dem Ziel,die Qualität des „Lebensraums Erde“zu sichern und zu verbessern.

Eine auf diese Ziele ausgerichteteForschung kann nur dann erf o l gr e i c hsein und nachhaltige Ergebnisse lie-fern, wenn sie multidisziplinär undnach dem jeweiligen Stand der Te c h-nik erf o l gt. Zentrales Anliegen derUmweltforschung ist, die oft sehrkomplexen Fragestellungen einerLösung näher zu bringen, die beidenbetroffenen Pa rtnern, der Umweltund dem Menschen, gerecht wird.Dies erf o r d e rt vielfältige Messungenund komplexe Modellierungen.

Seit den Anfängen der umfassendenUmweltpolitik zu Beginn der siebz i-ger Jahre hat sich die Umweltsitua-tion in vielen Bereichen deutlich v e r b e s s e rt. So ist beispielsweise die Schwefeldioxidbelastung zu-rückgegangen; die Staub- und Stick-oxidemissionen konnten reduziertwerden; die Gewässerqualität istebenfalls verbessert worden. Den-noch besteht kein Anlaß zur Ent-warnung. Besorgniserregend sindweiterhin weltweit zu beobachtendeBelastungen der Atmosphäre mitlanglebigen klimawirksamen Spuren-gasen, die Bodenbelastungen, derVerlust der Vielfalt von Ökosystemenund Arten, die Übernutzung und Ve r-schmutzung der Weltmeere, um nur einige gravierende Beispiele zu nennen.

Die GKSS-Umweltforschung verf o l gtdaher konsequent die Strategie, dieWechselwirkungen zwischen physika-lischen, chemischen und biogeoche-mischen Prozessen zu analysieren.Hierbei sind die kritischen Fa k t o r e n ,die aufgrund natürlicher Entwicklun-gen und Eingriffe durch den Men-schen zu Veränderungen der Ökosy-steme führen, zu identifizieren undso zu bewerten, daß Handlungs-optionen abgeleitet werden können,die zu nachhaltigen Entwicklungs-konzepten führen. Wichtig in diesemZusammenhang ist auch, daß es zueinem Brückenschlag zwischen denWissenschaftlern und Ve r a n t w o rt-lichen aus Politik, Verwaltung undWi rtschaft kommt. Die zentraleFragestellung lautet also: Wie kanndie Erhaltung oder gar Ve r b e s s e r u n gder wirtschaftlichen und soz i a l e nLebensbedingungen mit der dauer-haften Sicherung der natürlichenL e b e n s grundlagen in Einklang ge-bracht werden?

Im Mittelpunkt der GKSS-Umwelt-forschung stehen Untersuchungendes Tr a n s p o rtes und des Austauschesvon natürlichen und anthropogeneingetragenen Stoffen in den küsten-nahen Bereichen auf Land und Seesowie des Energie- und Wa s s e r k r e i s-laufes in der Atmosphäre und amBoden. Hauptuntersuchungsgebietesind das System der Elbe mit sei-nem Ästuar und den angr e n z e n d e nWatten- und Kü s t e n r e gionen sowiedie Atmosphäre über diesen Regi o-nen und über dem gesamten Wa s-sereinzugsgebiet der Ostsee. DieseR e gionen bieten den Lebensraumfür über 100 Millionen Menschenund werden wirtschaftlich und auchtouristisch intensiv genutzt, was sichin den vergangenen 50 Jahren viel-fach nachteilig auf die Umwelt aus-gewirkt hat.

Darüber hinaus soll die Umweltfor-schung der GKSS wissenschaftlicha b g e s i c h e rte Grundlagen und Lö-sungskonzepte erarbeiten, die Modellcharakter für Problemlösun-

gen in Ländern des osteuropäischenRaumes und der Dritten Welt besit-zen können. Die herausragendeBedeutung und der konkrete An-w e n d u n g s b ezug der Fo r s c h u n g s e r-gebnisse werden noch verstärkt vordem Hintergrund, daß weltweit überdie Hälfte der Menschheit in küsten-nahen Zonen lebt und arbeitet.Diese Gebiete werden sich auch alsFolge von Klimawandlungen ändernk ö n n e n .

Das Instrumentarium für die Beob-achtung, Modellierung und Analysevon Gewässern und der Atmosphärewurde in den vergangenen Jahrenbei GKSS erheblich weiterentwickelt.Es umfaßt physikalische, chemische,b i o l o gische Methoden wie Fe r n e r k u n-d u n g s v e rfahren, Spurenstoffanalyt i k ,experimentelle Ve rfahren zur direk-ten Beobachtung von Proz e s s e n ,Monitoring- und Informationssystemezur umfassenden Analyse komplexerSachverhalte. Zur Berechnung vonSeegang, Wasserstand, Strömung,Tr a n s p o rt von Substanzen in Wa s s e rund Atmosphäre sowie der biogeo-chemischen Stoffumsetzungen wur-den numerische Modelle für die je-weiligen Teilsysteme entwickelt unduntereinander gekoppelt. Sie bildendie Grundlage zur Synthese von Beobachtungsdaten, zur Analyse kau-saler Beziehungen, zur Prognosekünftiger Entwicklungen und zur Er-mittlung und Umsetzung von Sanie-rungs- und Vorsorgemaßnahmen.

GKSS ist in nationale Projekte und ininternationale Programme der EU,der UNO, der ESA und andererOrganisationen eingebunden undb e t e i l i gt sich an weltweit koordinier-ten Projekten, denn Umweltproble-me machen vor nationalen Grenzennicht Halt.

Ü b e r b l i c k


64

Das GKSS-Forschungszentrum ist eine gemeinnützige Forschungsgesellschaft mit beschränkter Haftung. Ihre Gesell-schafter sind die Bundesrepublik Deutschland, die vier Küstenländer Bremen, Hamburg, Niedersachsen und Schleswig-Holstein, der Verein der Freunde und Förderer des GKSS-Forschungszentrums e.V. sowie namhafte Wi rt s c h a f t s u n t e r-nehmen. Sitz der Gesellschaft ist Geesthacht. Der GKSS gehört als auswärtiger Betriebsteil seit 1992 die Arbeitsgr u p p efür Membranforschung in Teltow an. Das 1992 in Magdeburg gegründete Institut für Gewässerforschung wurde am1 . 1 . 1995 in seiner Gesamtheit auf das Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH übertragen. Die zur Deckung desBetriebs- und Investitionsaufwandes nach Abzug der eigenen Erträge erforderlichen Zuschüsse werden zu 90 Proz e n tvom Bund und zu zehn Prozent von den Ländern getragen. Für den Standort Teltow wird der Länderanteil vom LandBrandenburg aufgebracht. Für den Standort Geesthacht werden die Länderanteile von Bremen, Hamburg, Nieder-sachsen und Schleswig-Holstein getragen. GKSS hat vier Gesellschaftsorgane. Die Gesellschaft wird durch einen tech-nisch-wissenschaftlichen Beirat (twB) ergänzt, der sich aus der Gesellschaft nicht angehörigen Mitgliedern zusammen-setzt und der die Gesellschaft in wissenschaftlich-technischen Fragen und in wichtigen die Industrie und Wi rt s c h a f tbetreffenden Fragen berät und bei wichtigen Entscheidungen gehört wird. Die Gesellschaftsorgane sind:

• G e s c h ä f t s f ü h r e r• W i s s e n s c h a f t l i c h -Technischer Rat (WT R )• G e s e l l s c h a f t e r v e r s a m m l u n g• A u f s i c h t s r a t

O r g a n i s a t i o n s f o r m

G e s c h ä f t s f ü h r u n g

Geschäftsführung am 31 . 5 . 19 9 8 :Stefan Herms – kaufmännischD r. Günter von Sengbusch – wissenschaftlich-technisch

Prokura am 31 . 5 . 19 9 8 :D r. Wolfgang Jager – kaufmännischD r. Joachim Krohn – wissenschaftlich-technisch

W i s s e n s c h a f t l i c h -Technischer Rat

Der Wi s s e n s c h a f t l i c h -Technische Rat (WTR) bildet das Forum für die interne Diskussion. Er trägt somit zur fachübergr e i-fenden, vernetzenden Arbeitsweise der GKSS bei. Er berät die Geschäftsführung in allen wesentlichen wissenschaft-lichen und technischen Fragen. Ihm gehören die Leiter der Institute, die Leiter von Projektfeldern sowie gewählte Ve r-treter der wissenschaftlich-technischen Mitarbeiter und ein Mitglied des Betriebsrates der Gesellschaft an. Der WT Rsetzte sich am 31 . 5 . 1998 aus folgenden Personen zusammen:

Prof. Dr. Hans von Storch( Vorsitzender ab 18 . 4 . 19 97 )Prof. Dr. Karl-Heinz Schwalbe( Vorsitzender bis 18 . 4 . 97 )Frank AlbersD r. Fritz Appel (seit 1.1.19 9 8 )Prof. Dr. Rüdiger BormannD r. Wolfgang DietzelD r. Roland Doerffer (seit 1.1.19 9 8 )

Jürgen GandraßD r. Rainer Gerling (seit 1.1.19 9 8 )D r. Hans-Jörg Isemer (seit 1.1.19 9 8 )Reinhard KampmannD r. Hans-Jürgen KosmellaG ü n ter LutherProf. Dr. Bernd NeidhartProf. Dr. Bernd NiemeyerKlaus Ohlrogge

Prof. Dr. Dieter Pa u lD r. Klaus-Viktor Pe i n e m a n nD r. Wilhelm Pe tersen (seit 1.1.19 9 8 )Prof. Dr. Ehrhard RaschkeD r. Wolfgang Rosenthal (bis 31 . 12 . 19 97 )Prof. Dr. Willem SalomonsHenning SchwanProf. Dr. Richard Wagner (bis 31 . 12 . 19 97 )

einander verbindet. Das GKSS-ModellS E WAB (Surface and Energy BalanceModel) besitzt den Vo rteil, daß es so-wohl den Energie- als auch den Wa s-serhaushalt an der Landoberf l ä c h egemeinsam modelliert. Dies ist insbe-sondere für die Kopplung von Atmo-sphären- und Hydrologi e m o d e l l e nwichtig: Der Niederschlag, der alsRegen oder Schnee auf den Bodenfällt, kann entweder verdunsten oderwird im Boden gespeichert oder vonPflanzen aufgenommen, oder er fließtin Flüsse ab. Durch die Ve r d u n s t u n gwird der Atmosphäre aber auchE n e r gie zugeführt, deren Betrag wie-derum durch die Strahlungsbilanz amBoden maßgeblich mitbestimmt wird.Es ist letztlich der Austausch von beiden,Wasser und Energie, der wichtigeGrößen wie Bodentemperatur, Luft-temperatur und -feuchte bestimmt.Das Modell S E WAB hat im internatio-nalen GEWEX-Modellvergleich PIL PSg ez e i gt, daß es Bodenflüsse undWasserhaushalt zusammen realistischmodellieren kann. Entsprechend derFo r s c h u n g s s t r a t e gie in BALTEX wirddas bei GKSS entwickelte, gekoppelteModellsystem zur Zeit an vier gr o ß eFlußsysteme im BALT E X -G e b i e t( O d e r, Daugava, Neva und To r n e )angepaßt. Dabei wird auch an derVerbesserung des SEWAB, z.B. durchEinbau eines erweiterten Schnee-modells sowie der Berücksichtigungvon gefrorenem Boden, gearbeitet.

Der geschätzte Schaden des Oder-Hochwassers im Sommer 19 97 be-läuft sich auf mehr als fünf MilliardenMark. Etwa 100 Menschen verlorenihr Leben, und mehr als 80 Städteund 800 Dörfer wurden teilw e i s eoder vollständig überschwemmt. A neinigen Meßstationen im Riesen-gebirge wurden innerhalb von fünfTagen mehr als 500 Millimeter Regengemessen, eine Menge, die norma-lerweise dort in sechs Monaten regi-s t r i e rt wird. Typischerweise wird amPegel in Breslau im Sommer eineDurchflußrate von weniger als 20 0Kubikmeter pro Sekunde gemessen;der Spitzenwert während des letztenSommers ergab ca. 3600 Ku b i k m e t e rpro Sekunde. Im Rahmen der Kata-strophenvorsorge hat sich das Fe h l e n

von verläßlichen Wa s s e r s t a n d s v o r h e r-sagen über mehrere Tage als sehrnachteilig erwiesen. Die zur Zeit in Deutschland operatio-nell angewendeten Vorhersagen fürdie Oder beruhen auf empirischenModellen, die gemessene Wa s s e r-stände im Oberlauf als Eingangsdatenbenötigen, um Zeitpunkt, Amplitudeund Dauer des Hochwassers amMittel- und Unterlauf des Flusses(z.B. für Fr a n k f u rt oder das Oder-bruch) vorherzusagen. Die prinzipiel-len Schwächen dieser Methode lie-gen einerseits in den kurzen Vo r w a r n-zeiten, andererseits werden Vo r h e r-sagen bei Ausfall von Pegeln imO b e r l a u f, d.h. im polnischen Teil desOdergebietes, sowie bei Deichbrü-chen oder größeren Überschwem-mungen schwierig.

GKSS erarbeitet derzeit im Ve r b u n dmit dem polnischen Hydrometeorolo-gischen Dienst in Breslau (IM G W ) ,dem Marinen Forschungsinstitut inStettin (MRI), der DLR in Köln sowiedem Umweltamt des Landes Bran-denburg einen Plan für ein komple-xes, operationell verwendbares Vo r-hersagemodellsystem für die Oder.Die Komponenten dieses Sy s t e m ss i n dc ein flächendifferenziertes Nieder-

schlags-Abflußmodell für das ge-samte Odereinzugsgebiet (GKSS).Dieses basiert auf Ko m p o n e n t e ndes oben erwähnten Wa s s e r k r e i s-laufmodells und kann entwedermit meteorologischen Beobach-tungen oder Vo r h e r s a g e p r o d u k t e n

des DWD angetrieben werden. Die Gitterweite dieses Modells be-t r ä gt zur Zeit 14 Kilometer undberuht auf der des We t t e r v o r h e r-sagemodells REMO.

c ein hydrodynamisches Modell fürden Wa s s e rt r a n s p o rt in der oberenund mittleren Oder (IMGW),

c hydrodynamische Modelle für dieuntere Oder unterhalb der Neiße-mündung, wobei insbesonderedas Management von Poldern undRetentionsflächen sowie der Ein-fluß des Oderhaffs eingeschlossenwerden (GKSS und MRI),

c räumlich hochaufgelöste Modelle,um in Gebieten mit hohem Scha-denspotential (Niederungen undStädte) exakte Vorhersagen undSzenarienrechnungen z.B. beiDeichbrüchen durchzuführen, dieals Hilfsmethoden für modernes,effektives Katastrophenmanage-ment unabdingbar sind. DieseModelle sind entweder hydro-dynamischer Art (GKSS für Nie-derungen) oder beruhen auf GIS -gestützten dynamisch-statistischenAnsätzen (DLR für Stadtflächen).

Das fertige Modellsystem soll sowohlin Polen als auch in Deutschlandoperationell eingesetzt werden.Damit würde eine Hauptmotivationund Kernforderung von GEWEX undB A LTEX erfüllt werden: neue Grund-lagenerkenntnisse zu natürlichenE n e r gie- und Wasserkreisläufen in effizientere operationelle Metho-den mit hohem ökonomischenNutzeffekt umzusetzen.

49

Eine verbesserte Katastrophenvorsorge bei Deichbrüchen ist ein Ziel der Verbundarbeiten amVorhersagemodellsystem für die Oder.

Umweltforschung


Lagepläne

Anschriften

I m p r e s s u m

H e r a u s g e b e r :G K S S - Fo r s c h u n g s z e n t r u mGeesthacht GmbHM ax - P l a n c k - S t r a ß eD- 21502 Geesthacht

R e d a k t i o n :H. F. Christiansen (verantwort l i c h )F. Ta u c h e r

Zahlen, Daten, Fakten

Gremien

50

Am 1. August 1996 wurde derS t a rtschuß für das bislang größteeuropäische Fo r s c h u n g s p r o j e k tin der Ostsee abgegeben: Über50 Institute aus allen Anrainer-s t a a ten sowie aus Großbritan-nien, Italien, den Niederlandenund Norwegen unte r z e i c h n e te neinen Ve rtrag mit der Europä-ischen Union, in dem sie sichv e r p f l i c h ten, im Rahmen einesdreijährigen Projektes Ökosy-s temstudien in der Ostsee zu be-treiben. BASYS (Baltic Sea Syste mStudy), mit 16 Millionen Mark v o nder EU unterstützt, gibt in seinemTi tel bereits einen Hinweis aufdie Struktur des Projektes: Inzehn eng miteinander verzahnte nU n te r p r o j e k ten sollen, ausgehendvon einer aktuellen Zu s t a n d s b e-s c h r e i b u ngd er Ostsee, mit syste m -a n a l ytischen Ansätzen und ini n terdisziplinärer Zu s a m m e n-arbeit zwischen den bete i l i gte nI n s t i t u ten Prognosen über dieAuswirkungen anthropogener

Einflüsse auf die Ostsee und ihreKü s tenbereiche erstellt werden.G KSS bearbeitet das BASYS -Schwerpunktthema „Schadstoff-einträge aus der Atmosphäre”.Mit numerischen Simulations-modellen und mit Fe l d m e s s u n-gen an Kü s tenstationen und aufSchiffen sollen die Einträge derprioritären Schwermetalle Blei,Cadmium und Quecksilber in die Ostsee quantitativ erf a ß twerden. Dabei werden die Mo-delle schwerpunktmäßig alsI n s t r u m e n te der Immissionspro-gnose eingesetzt, um Auswirkun-gen von reduzierten Schwerme-tallemissionen in Europa auf dieBelastung der Ostsee progno-stisch abschätzen zu können.

Seit Beginn der achtziger Jahre ist dieBedeutung des atmosphärischen Ein-trages von Schadstoffen in die Ost-see verstärkt untersucht worden.Unter dem Begriff Schadstoffe istdabei ein weites Spektrum von che-

mischen Spezies zusammengefaßt,welches von ökotoxikologisch rele-vanten Schwermetallen und organi-schen Verbindungen bis hin zu eutro-phierenden Substanzen reicht. DieseStoffe werden vorwiegend durchanthropogene Aktivitäten sowohl inden Ostseeanrainerstaaten als auchin weiter entfernt liegenden Ländernin Umlauf gebracht. Der atmosphäri-sche Tr a n s p o rt erf o l gt relativ schnell,so daß Schadstoffe in wenigen Stun-den in die Ostsee befördert werdenkönnen, wobei die häufig wechseln-de meteorologische Situation einehohe Variabilität im Vergleich zuaquatischen Systemen bedingt .

Von den Emissionen auf dem euro-päischen Kontinent bis zu den De-positionen in die Ostsee unterliegendie Schadstoffe in der Atmosphäreeiner Reihe von physikochemischenP r ozessen, wobei die Emissionen so-wohl anthropogenen als auch natürli-chen Ursprungs sein können. Letzte-res trifft für einige Schwermetalle zu,

Das Ökosystem Ostsee:Einfluß atmosphärischer Schadstoffeeinträge

Geographische Verteilung der Quecksilberemissionen in Europa für1990 und Folgejahre, ermittelt für 2500 Quadratkilometer großeGitterelemente in Tonnen pro Jahr. Als Gesamtemission in Europa erge-ben sich 460 Tonnen pro Jahr.

Erste Ergebnisse aus dem BASY S -Teilprojekt „Schadstoffeinträge ausder Atmosphäre”: Quecksilberdepositionsflüsse in Europa am 1. Juli1995 in Nanogramm pro Quadratmeter und Ta g .


Kennzahlen

GKSS und das Umfeld

Organe und

die durch windgetriebene Boden-erosion und durch „sea-spray” so-wie im Falle des Quecksilbers durchAusgasen aus Böden und Gewässer-o b e rflächen in die Atmosphäre ge-langen. Die Transmission beginnt ander Austrittsöffnung für die Emissio-nen (Schornstein, Auspuff, Lecksu s w.) und endet an der einige Milli-meter dünnen laminaren Grenz-schicht über der Gewässeroberf l ä c h e .Für die Tr a n s m i s s i o n s p r ozesse in derErdatmosphäre ist die Tr o p o s p h ä r ebis ca. zwölf Kilometer Höhe vonbesonderem Interesse. Hier werdendie Schadstoffe mit der Luftströmungt r a n s p o rt i e rt und in Abhängigkeit vonder atmosphärischen Ve r w e i l z e i tdurch verschiedene Senkenproz e s s ewieder aus der Atmosphäre entfernt.Zu den wichtigen Senken gehörendie chemischen Reaktionen in derAtmosphäre, die zu einer Umwand-lung der Schadstoffe führen, und dieInkorporation von Schadstoffen inWolken- und Niederschlagselemente,die mit dem Fall der Tröpfchen zurE r d o b e rfläche gelangen – ein Proz e ß ,der über der Ostsee angesichts derd o rt auftretenden Dichte und Häufig-keit von Wolken und Niederschlagsehr wirksam ist. Neben dieser

˝n a s-

sen” Deposition stellt die trockeneDeposition, d.h. der Transfer vonStoffen aus der Atmosphäre zur Erd-o b e rfläche mit Ablagerungen am Erd-boden, an der Vegetation und an Wa s-s e r o b e rflächen einen bedeutendenSenkenmechanismus dar, dessenEffektivität vor allem durch Vo r g ä n g ein der bodennahen GrenzschichtMeer/Atmosphäre bestimmt wird.

Über die qualitativen Aspekte derphysikochemischen Prozesse vonSchadstoffen in der Tr o p o s p h ä r ebestand schon zu Beginn der achtzi-ger Jahre weitgehend Übereinstim-mung. Die quantitative Beschreibungder Kausalkette Emission–Tr a n s m i s-sion–Deposition war seinerzeit un-sicher und im Falle des Quecksilbersin vieler Hinsicht widersprüchlich. Mit der Verbesserung bestehenderEmissionsdatenbasen sowie derEntwicklung von neuen Meß- undBerechnungsmethoden im Rahmender internationalen Bemühungen

zum Schutz der europäischen Rand-meere gegen die Verschmutzung ausanthropogenen Quellen ist es heutejedoch möglich, atmosphärische Ein-träge von Schwermetallen in die Ost-see zu quantifizieren. GKSS beteiligtsich seit rund 15 Jahren an diesenMethodenentwicklungen, unter ande-rem durch Auftragsforschung für dasUmweltbundesamt, und hat heuteeine international anerkannte Exper-tise auf dem Gebiet der Schwer-m e t a l l a n a l ytik und der numerischenModellierung von Schwermetallen,die für BASYS intensiv genutzt wer-den kann. Im Rahmen der BASY S -Modellierungsaktivitäten werdena k t u a l i s i e rte europaweite Emissions-datenbasen eingesetzt, in die dienach der politischen Wende in Euro-pa verfügbaren Daten für Schwer-metallemissionen in den Ostseean-rainerstaaten eingearbeitet wordensind. Mit Hilfe dieses Modellsystemskönnen, unterstützt durch eine geeig-nete Probenahmestrategie bei Fe l d-meßkampagnen, Aussagen und Prog-nosen zum europaweiten atmos-phärischen Tr a n s p o rt und Eintrag vonSchwermetallen in die Ostsee unddessen zeitlicher und räumlicherVariabilität abgegeben werden.

In Feldmeßkampagnen an Kü s t e n-s t a n d o rten an der Ostsee und aufSchiffen des Instituts für Ostseefor-schung, Warnemünde, werden jah-r e s z e i t a b h ä n gige Ko n z e n t r a t i o n s-änderungen sowie Emissions- undDepositionsflüsse der Schwermetalleexperimentell bestimmt. Um dieräumlich und zeitlich stark variieren-den Einträge dieser Komponenten indie Ostsee mit Hilfe der Meßdatenquantifizieren und mit Modellergeb-nissen vergleichen zu können, wer-den im Rahmen von BASYS zweiintensive Feldmeßkampagnen durch-g e f ü h rt, bei denen an vier Kü s t e n-stationen sowie auf zwei Schiffen diewichtigsten Schwermetalle beprobtund analysiert werden. Während derMessungen sind die Schiffe so posi-t i o n i e rt, daß identische Luftmassen-pakete mit einer gewissen zeitlichenVerzögerung auf beiden Schiffenbeprobt werden können. Durch dieseVorgehensweise ist man in der Lage,

Veränderungen in den Schwermetall-konzentrationen der Luftpakete zue rfassen und die aus den veränder-ten Konzentrationen resultierendenEinträge in die Ostsee quantitativ zub e s t i m m e n .

Mit BASYS wird der gesellschaftlicheWandel in Osteuropa konsequentgenutzt, um die langjährigen politischb e d i n gten Versäumnisse in der inter-nationalen Ostseeforschung schritt-weise wettzumachen. Dies gilt insbe-sondere für die atmosphärischenEinträge, deren Quantifizierung auf-grund der bisher lückenhaften In-formationen über anthropogen be-d i n gte Emissionen in Osteuropa nurnäherungsweise möglich war. BASY Shat damit neben seiner hohen wis-senschaftlichen Bedeutung aucheinen beträchtlichen internationalens ozioökonomischen Rang. Hinzukommen die wissenschaftlichen Sy n-e r gieeffekte für die beteiligten Ein-richtungen. So profitieren beispiels-weise das Ostseeforschungsprogr a m mdes BMBF sowie die IGBP - P r o gr a m-me LOICZ und GEWEX/BALTEX durcheinige der BASY S -Teilprojekte erheblich.

Eine wesentliche Belastung des ÖkosystemsOstsee bilden Schadstoffeinträge aus derA t m o s p h ä r e .

Umweltforschung


Forschungsreaktor

61

Entwicklung, Aufbau und Be-trieb der Neutronenstreuein-richtungen am FRG-1 sind imwesentlichen Bestandteil derG KSS - Fo r s c h u n g s s c h w e r p u n k teM a terialforschung und Umwelt-technik. Mit dieser Einbindungwird erreicht, daß die Fo r s c h u n gmit Neutronen bei GKSS weni-ger methodisch als vielmehrthematisch an den auf industri-elle Nutzung und Anwendunga u s g e r i c h te ten Fo r s c h u n g s z i e l e nder Werkstoffentwicklung undU m w e l t technik orientiert ist.Neben dem Einsatz im GKSS -Forschungsprogramm werdendie Bestrahlungsmöglichkeite ndes Forschungsreaktors sowiedie in den letzten Jahren ausge-b a u ten experimentellen Neutro-nenstreueinrichtungen in engerZusammenarbeit mit Industrie,Hochschulen, Behörden undÄ m tern genutzt. Die inte r n a t i o-nal anerkannte experimente l l eAusstattung, verbunden miteiner großen Ve rfügbarkeit desFRG-1, haben zu einer inte n-siven Zusammenarbeit mit in- und ausländischen Wi s s e n-schaftlergruppen geführt.

Aus den Anforderungen der wissen-schaftlichen Arbeiten leiten sich dieAufgaben und Ziele der GKSS-Zen-tralabteilung Forschungsreaktor ab:viele brauchbare Neutronen sicherund zuverlässig, aber auch kosten-bewußt mit dem FRG-1 zu produzie-ren. Die Sicherheit ist dabei oberstesGebot, dem sich die weiteren Zieleunterordnen.

Der FRG-1 ist ein Fo r s c h u n g s r e a k t o rmit einer thermischen Leistung von fünf Megawatt. Er ist als Strahlrohr-reaktor ausgelegt, das heißt, die durchnukleare Spaltung entstehendenNeutronen werden über Strahlrohrevom Reaktorkern zu den Experimen-ten geleitet. Der FRG-1 wurde bereits19 58 in Betrieb genommen. Ko n-tinuierlich wurde und wird er demsich ändernden Stand von Wi s s e n-

schaft und Technik angepaßt. Hierzug e h ö rt auch die regelmäßige Über-prüfung der Betriebsvorschriften, derBedienungsanweisungen, regelmäßi-ge und intensive Pe r s o n a l s c h u l u n g e n ,u m f a n greiche und wiederkehrendePrüfungen und die vorbeugendeWa rtung wichtiger Anlagenteile. Durchdie Forschungsarbeiten werden aktivder sicherheitstechnische Standardder Anlage gefördert und die Ergeb-nisse und Empfehlungen in Abstim-mung mit den zuständigen Geneh-migungsbehörden umgesetzt. Durchdie Summe dieser Maßnahmen stehtder Wissenschaft mit dem FRG-1 eineder modernsten NeutronenquellenEuropas zur Ve rf ü g u n g .

Je höher die Anreicherung des spalt-baren Urans ist, umso effizienter unddamit wirtschaftlicher können Neu-tronen produziert werden. Fo r-schungsreaktoren wurden daherüber viele Jahrzehnte nahezu aus-schließlich mit hochangereichert e mUran betrieben. Dem gegenüber ste-hen internationalen Empfehlungenzur Nichtweiterverbreitung waffen-fähigen Urans. Als wissenschaftlicheEinrichtung und als Betreiber desFRG-1 unterstützt GKSS diese Emp-fehlungen. Der FRG-1 war der ersteeuropäische Fo r s c h u n g s r e a k t o r, derin seinem Betrieb auf niedrig ange-r e i c h e rtes Uran umgestellt wurde.Dabei konnte trotzdem durch eineKompaktierung des Reaktorkerns,den Aufbau besserer Reflektorenund den zusätzlichen Einbau einersogenannten Kalten Quelle die Aus-beute kalter Neutronen um einenFaktor 50 gesteigert werden. Gleich-zeitig wurden die Ve rfügbarkeit desFRG-1 und damit die für die Wi s s e n-schaftler interessanten nutzbarenBestrahlungszeiten weiter erhöht. Fü rWi rtschaft, Industrie und Wi s s e n-schaft ist der FRG-1 zu einem lei-stungsfähigen Fo r s c h u n g s i n s t r u m e n tausgebaut worden, welches für diekommenden Jahre eine fundamen-tale Bedeutung für technologi s c h eEntwicklungen und wissenschaftlicheGrundlagenforschung haben wird.

Eine durchgeführte Studie zeigt, daßdurch eine realisierbare weitereKernkompaktierung der Neu-tronenfluß weiter signifikant erhöhtwerden kann. Dies wird jetzt konkretw e i t e r v e rf o l gt .

Stand bei diesen Umstellungsarbei-ten die sicherheitstechnische Aus-legung immer an oberster Stelle, sogalt es gleichermaßen, einen mög-lichst wirtschaftlichen Betrieb zu er-reichen. Die wissenschaftlichen Vo r-arbeiten, die Mitwirkung in interna-tionalen Gremien sowie der kon-struktive Kontakt zu den Genehmi-gungsbehörden führten mit demUmstellungskonzept und den Um-stellungsmaßnahmen zur Reduktionder spezifischen Brennstoffkosten beigleichzeitig größerer Neutronenaus-beute und höherer Ve rfügbarkeit –zur Freude der Wissenschaftler undzur Entlastung des Finanzbedarf s .Die von der Zentralabteilung Fo r-schungsreaktor durchgeführte Um-stellung auf den Betrieb mit niedriga n g e r e i c h e rtem Uran gilt daher alsr i c h t u n gweisend.

Im Zuge dieser Umstellungsmaß-nahmen wurde darüber hinaus eineintensive Erweiterung der Experimen-tiereinrichtungen vorgenommen. Diedamit geleisteten Forschungs- undEntwicklungsarbeiten werden interna-tional anerkannt und haben zu einerIntensivierung der Kooperation mit in-und ausländischen Fo r s c h e r gr u p p e ng e f ü h rt.

Neben dem Ziel, den wissenschaftli-chen Arbeitsgruppen mit dem Be-trieb des FRG-1 Neutronen für dieExperimente zu liefern, werden vonder Zentralabteilung Fo r s c h u n g s r e a k-tor Bestrahlungsaufträge für anderewissenschaftliche Einrichtungen,Hochschulen, Behörden und Ämterd u r c h g e f ü h rt. Die Herstellung medi-zinischer Präparate für diagnostischeZwecke gehört ebenso dazu wie dieBestrahlung von Proben aus unsererUmwelt zur Beurteilung der Schwer-metallbelastung.

Der Forschungsreaktor FRG-1

52

Erstmalig über dem antarktischenKontinent beobachtet, habenpolare stratosphärische Wo l k e n( P SCs) wegen ihrer oz o n z e r s t ö r e n-den Wirkung traurige Berühmt-heit erlangt. Glaubte man sichauf der Nordhalbkugel aufgrundder in der Arktis gegenüber demSüdpolargebiet etwa 10 °C höhe-ren Temperaturen zunächsts i c h e r, so wurden in jüngerer Zeit auch hier PSCs gesichte t .Erstmals am 4. März 1996 wurden mit dem Raman-Lidarvon GKSS sogar in einer geogra-phischen Breite von nur 54 GradNord PSCs nachgewiesen. Mitdem Meßsystem wird in Nord-schweden gegenwärtig unte r-sucht, auf welche Weise PSC sdurch Schwerewellen hinter einemGebirgszug entstehen, und dieVe rt i k a l v e rteilung der Ozonkon-zentration gemessen.

Polare stratosphärische Wolken, dieaus Wassereis, aus Salpetersäure-trihydrat oder aus einer bisher nichtgenau bekannten Mischung vonSchwefelsäure, Salpetersäure undWasser bestehen, haben drastischeAuswirkungen auf die stratosphäri-sche Ozonschicht, welche die Erdeals schützendes Strahlenfilter gegendie harte UV-B- und UV-C - S t r a h l u n g

der Sonne umgibt. PSCs setzen näm-lich sogenannte Reservoirverbindun-gen in aktivierbare Chlorverbindun-gen um, aus denen bei aufgehenderSonne katalytisch wirkende Halogen-Radikale entstehen, die die Ozon-konzentration in einer kompliziert e nKette chemischer Reaktionen bisnahe null verringert.

Zwar sind die mittleren Wi n t e rt e m-peraturen in der arktischen Strato-sphäre um etwa 10 °C höher als inder Antarktis, doch können lokalauch hier Bedingungen eintreten,unter denen sich PSCs bilden. Wi r dnämlich ein Gebirge angeströmt, soführen die Schwerewellen, die sichauf der windabgewandten Seite bil-den, zu Abkühlungsvorgängen in dermittleren Atmosphäre.

PSCs, für die Höhen zwischen 18und 25 Kilometern typisch sind, las-sen sich unter günstigen Bedingun-gen und bei geeigneter Beleuchtungmit dem Auge erkennen. Eine Unter-scheidung von den aus Eiskristallenbestehenden Zirruswolken in Höhenvon etwa vier bis zwölf Kilometernist aber nur mit Meßinstrumentenmöglich.

Diese Messungen können vom Bo-den aus erfolgen. Man sendet dazuden kurzen Lichtpuls eines Lasers

Untersuchung polarer stratosphärischer Wolken: das Raman-Lidar in Nordschweden

Polare stratosphärische Wolken können durch regionale Temperaturerniedrigung in den aufwärtsge-richteten Strömungsbereichen von Schwerewellen hinter einem Gebirgszug entstehen. Messungenerfolgen bei Andenes im Luv und bei Kiruna im Lee des Skandinavischen Scheidegebirges.

Das Raman-Lidar von GKSS auf dem Geländevon ESRA N GE bei Kiruna in Nordschweden.


53

lotrecht nach oben in die Atmo-sphäre aus und regi s t r i e rt das Licht,das aus den verschiedenen Luft-schichten zum Meßsystem zurückge-streut wird – aus niedrigen Schichtenf r ü h e r, aus hohen Schichten später,so daß aus der Zeitverzögerungdirekt die Streuhöhe bestimmt wer-den kann. Dieses dem Radar ähnli-che, aber statt mit Radiowellen mitLicht arbeitende Ve rfahren wird alsLidar bezeichnet.

Licht wird von den Molekülen derLuft, von Gasen wie Ozon und vonden feinen Teilchen, aus denen Wo l-ken bestehen, nicht nur gestreut,sondern auch absorbiert. Po l a r i s i e r-tes Licht wird bei der Streuung inseinen Po l a r i s a t i o n s e i g e n s c h a f t e nv e r ä n d e rt. Durch geschickte Ausnutz-ung dieser Effekte und durch Ve r-wendung von zwei Sendelasern kön-nen mit dem GKSS-Raman-Lidarzusammen mit den geometrischenund den Strahlungseigenschaftender Wolken gleichzeitig die Ozon-konzentration, die Feuchte und dieTemperatur gemessen werden. Zu-sätzlich kann zwischen den verschie-denen PSC -Typen unterschiedenwerden. Das GKSS-Raman-Lidar er-möglicht, diese für die Beschreibungder Vorgänge in der arktischen Atmo-sphäre und für die Bewertung derMeßergebnisse so wichtigen Datengleichzeitig zu bestimmen.Damit sichergestellt ist, daß mit dem

GKSS-Lidar in Kiruna gemessenePSCs nicht schon vom Atlantik undvom Europäischen Nordmeer „impor-t i e rt” werden, werden die Messungenin einem Netzwerk durchgeführt, des-sen neben ESRANGE bei Kiruna(Schweden) zweiter wichtiger Stand-o rt die Station ALOMAR bei Andenesauf der Insel Andøya (Norwegen)darstellt. Die Lidar-Messungen wer-den außerdem durch Radarmessun-gen und durch Bodenmessungenm e t e o r o l o gischer Daten ergänzt. ImNetzwerk arbeiten neben GKSS fünfweitere wissenschaftliche Einrich-tungen aus Schweden (Institutet förRymdfysik in Kiruna), Norwegen

( N o r w e gian Defense ResearchEstablishment in Kjeller), Fr a n k r e i c h(Service d'Aéronomie in Ve r r i è r e s - l e -Buisson) und Deutschland (Physika-lisches Institut der Universität Bonnund Institut für Atmosphärenphysik,Kühlungsborn) mit. Wie die detaillier-te Vermessung polarer stratosphäri-scher Wolken ohne die Ve rf ü g b a r k e i tvon Lidarsystemen kaum möglichwäre, so stellen umgekehrt PSCs einideales Meß- und Testobjekt für dieWeiterentwicklung dieser Te c h n i kd a r. In Kiruna soll deshalb das beiGKSS entwickelte neue Meßprinzipdes Rotations-Vi b r a t i o n s - R o t a t i o n s -Ramanlidars getestet werden, dashinsichtlich Verringerung von Störein-flüssen einen weiteren Schritt vor-w ä rts darstellt. Vorarbeiten dazu sindvon GKSS schon bei Sandia Labora-tories in Livermore (Kalifornien)d u r c h g e f ü h rt worden. Das Beispielz e i gt, daß ein wie dieses vom Bon-ner Forschungsministerium und vonder Europäischen Union gefördert e sForschungsvorhaben neben derdirekten Kooperation auch eine indi-rekte weltweite Vernetzung und da-mit den für die Wissenschaft unab-dingbaren Sy n e r gismus von Einzel-aktivitäten bewirkt.

Polare stratosphärische Wolken sind auch mit dem bloßen Auge sichtbar. Links im Bild, perlmut-tern bis rötlich erscheinend, PSCs, rechts und eher gelblich Zirruswolken.

Die Zeitreihe zeigt, daß PSCs (oberhalb 18Kilometer) in Schichten auftreten, die überStunden annähernd stationär sind. Die Zirren(unterhalb zwölf Kilometer) sind im Bild zehn-fach abgeschwächt dargestellt.

Umweltforschung


Technikum

59

Besonders herausgestellt werden sollin diesem Jahr eine neue Experimen-tiereinrichtung am Fo r s c h u n g s r e a k t o r :G BET, eine Bestrahlungseinrichtungzur Bor-Einfangtherapie, die beiGKSS in Zusammenarbeit mit demUniversitätskrankenhaus Eppendorfaufgebaut worden ist. Es handelt sichdabei um eine Bestrahlungseinrich-tung, bei der Zellkulturen in sterilenFlaschen jeweils einem definiert e nFluß kalter Neutronen ausgesetztwerden sollen. Die zu untersuchen-den Zellen werden dafür in einemNährmedium gehalten und siedelnsich auf dem Boden der Flaschen an. Bei der Bestrahlung wird der Flaschenboden mit den darauf be-findlichen Zellen einem möglichst

homogenen Fluß kalter Neutronena u s g e s e t z t .

Untersucht werden soll dabei derEffekt, den das in den Zellen extraa n g e r e i c h e rte Bor über den Einfangeines thermischen oder kalten Neu-trons bewirkt. Es soll die optimaleMethode für die Bormarkierung derZellen herausgefunden werden.Diese Bormarkierung benötigt manfür die Anwendung der Boreinfang-therapie zur Tu m o r b e h a n d l u n g .

Die Bestrahlungseinrichtung ist aneinem der Neutronenleiter desStrahlrohres 8 aufgebaut. An derStelle des Meßplatzes ist der Neu-tronenleiter unterbrochen und nach

oben durch eine auf Rollen bewegli-che Stahlplatte abgeschirmt, diebeim Öffnen den Neutronenflußüber einen Sicherheitsschiebers o f o rt unterbricht.Darunter befindet sich ein Proben-fahrstuhl, auf dessen Plattform eineKabine für vier Zellkulturf l a s c h e naufgebaut ist. Unterhalb der Platt-form hängt ein evakuiertes Zw i s c h e n-stück Neutronenleiter, die sogenann-te Neutronenleiterbrücke, welche d i eLücke im Neutronenleiter schließt,wenn das Experiment nicht betrie-ben wird.

Über ein Spindelhubelement, ange-trieben von einem Schrittmotor, kön-nen sowohl die einzelnen Zellkultur-flaschen in der Kabine als auch dieNeutronenleiterbrücke in vert i k a l e rRichtung genau im Strahlengangp o s i t i o n i e rt werden. Horizontale Ab-weichungen werden durch seitlicheFührungsschienen für die Plattformund die Neutronenleiterbrücke ver-h i n d e rt .

Die Kabine für vier Zellkulturf l a s c h e nbesteht aus einem seitlich außerhalbdes Strahlenganges befindlichenAluminiumrahmen, bestrichen mitborhaltiger Farbe. Innerhalb desRahmens ist rundherum eine einenZentimeter dicke Isolierung ausSilicaaerogel (geschäumtes Glas miteiner Dichte von 0,15 Gramm proKubikzentimeter). Am Deckel derKabine, der sich nach oben klappenläßt, ist eine Vorrichtung montiert, dievon außen nach innen aus einemKü h l k ö r p e r, einem Pe l t i e r e l e m e n tund einem Lüfter besteht, die ge-meinsam die Kühlung der Kabine aufeine Temperatur von ca. 0 °C ermög-lichen. Ein Thermofühler überwachtdie Temperatur innerhalb der Kabine.Die Zellkulturflaschen werden durcheinen Plexiglasrahmen innerhalb derKabine positioniert.

Die Endausrüstung des neuen Meßbootes „Storch” wurde vom Technikum durchgeführt. Das Bildzeigt die „Storch” – kurz vor dem Stapellauf – bei der Schlußerprobung im GKS S -C 2 - B e c k e n .

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Starke Stürme und Sturmflute n ,wie sie seit Anfang der neunzi-ger Jahre vermehrt auftrete n ,werden von den Medien gern alsBeweis der ,,Klimakatastrophe” – der Folge anthropogener Emis-sionen von Kohlendioxid undanderen klimarelevanten Gasen –i n te r p r e t i e rt. Klimamodelle zei-gen zwar, daß langfristig mit glo-balen Temperaturerhöhungen zurechnen ist. Inwieweit dieseErwärmung jedoch einen Einflußauf Stürme und Seegang hat,war bisher unbekannt. Im Rah-men des von der EuropäischenUnion geförderten Projekte sWASA (Waves and Storms in theN o rth Atlantic) – Ergebnissewurden kürzlich im Bulletin ofthe American Mete o r o l o gi c a lSociety veröffentlicht – ist eineGruppe von acht europäischenFo r s c h u n g s i n s t i t u ten – darunte rdie Fo r s c h u n g s a b teilungen vonvier nordeuropäischen We t te r-d i e n s ten, der GKSS und demMax-Planck-Institut für Mete o r o-l o gie in Hamburg – dieserFr a g e s tellung nachgegangen.

Um eine wissenschaftlich fundiert eStellungnahme zu diesem Problemabgeben zu können, wurden zweiFragen untersucht:

c Inwieweit haben sich Stürme, See-gang und Sturmfluten in den ver-gangenen 100 Jahren im Nord-ostatlantik und in der Nordsee sta-tistisch meßbar verstärkt?

c Welche Veränderungen für statisti-sche Sturm-, Seegangs- und Sturm-flutparameter sind im Gefolgeeiner verdoppelten atmosphäri-schen Ko h l e n d i o x i d k o n z e n t r a t i o n ,mit der etwa im Jahre 20 35 zurechnen ist, zu erwart e n ?

Seit dem Ende des letzten Jahrhun-d e rts werden täglich We t t e r m e l d u n-gen analysiert und We t t e r k a rten ge-zeichnet. Wind wird seit vielen Jahr-

zehnten von Schiffsbeobachternnach der Beaufort-Skala (so benanntnach dem britischen Admiral undH y d r o graphen Sir Frederik Beaufort )geschätzt und durch Wi n d m e ß g e r ä t ebestimmt. Zeitreihen mit Wi n d b e-obachtungen über lange Zeiten sindallerdings in der Regel nicht homo-gen, d.h. nicht vergleichbar. Die Be-o b a c h t u n g s w e rte werden durchdiverse Veränderungen in der Um-gebung des Geräts oder bei denBeobachtungsvorgängen selbst ver-f ä l s c h t .

Wegen dieses Inhomogenitätspro-blems ist es kaum möglich, aus loka-len Windbeobachtungen oder ausWe t t e r k a rten allein Schlüsse über einsich verschlechterndes Sturmklima zuziehen. Man muß andere, objektiveIndikatoren heranziehen. Dazu eig-nen sich vor allem zwei Größen,nämlich Luftdruckmessungen undWasserstandsstatistiken. Der Luft-druck wird seit fast 100 Jahren mitdem technisch praktisch unveränder-ten Barometer gemessen. Der Luft-druck ist daher ein geeignetes Maßfür zeitliche und räumliche Änder-ungen der Sturmtätigkeit. Wa s s e r-

stand, etwa in der Form des halb-t ä gigen Tidehochwassers, ist eben-falls ein Indikator für Sturmtätigkeit,weil Stürme und Sturmfluten mitein-ander verknüpft sind. Die gemitteltenWe rte der Windgeschwindigkeiten indiesem Jahrhundert schwanken aufZeitskalen von mehreren Jahrzehn-ten. Von einem anfänglich hohenNiveau um die Jahrhundert w e n d esinken die We rte langsam auf einMinimum in den sechziger Jahren.Dann steigen sie recht schnell wiederauf We rte, die vergleichbar denen zuB e ginn des Jahrhunderts sind. Auchdie Untersuchung von Wa s s e r s t a n d s -Pegeln im Bereich der südlichen undöstlichen Nordseeküste – mit Modell-ergebnissen für die gesamte Nord-see – ergab: Die Höhe der Sturm-fluten relativ zum mittleren Ti d e h o c h-wasser ist etwa gleichgeblieben.

So ergaben beide Ansätze für denRaum Nordeuropa keine systemati-schen Veränderungen des Sturm-klimas in den letzten 100 Jahren.Eine Intensivierung des Sturmklimasin den letzten drei Jahrzehnten zeich-net sich zwar ab, ist aber, gemessenan Schwankungen der Statistiken in

Änderung der maximalen Wellenhöhen im Nordatlantik im Zuge der erwarteten Verdoppelung desatmosphärischen Ko h l e n d i ox i d -G e h a l t s .

Sturm und Seegang im Klimawandel:Rückschau und Prognose mit Messung und Modell


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Einem steten Wandel unterliegen dieE rfordernisse unserer Gesellschaft,der Stand der Technik und damitauch der Inhalt der Fo r s c h u n g s s c h w e r-punkte der GKSS. Entsprechend än-dern sich Art und Zweck der benötig-ten Experimentiereinrichtungen. Wa-ren es in vergangenen Jahrzehntenvor allem Anlagen und Apparaturenfür die Reaktorsicherheitsforschungund für die Unterwassertechnik, sosind es heute in erster Linie Geräte,Meßinstrumente und Pilotanlagen fürdie Materialforschung, für die Tr e n n -und Umwelttechnik sowie für dieUmweltforschung, wie z.B.:

c Experimentiereinrichtungen für dieNeutronenkleinwinkelstreuung amFo r s c h u n g s r e a k t o r,

c Neukonstruktion des Ke r n t r a g g e-rüstes und der Gitterplatte desForschungsreaktors im Zuge derKe r n k o m p a k t i e r u n g ,

c Pilotanlage zur Herstellung von bipolaren Membranen (Breitschlitz-d ü s e ) ,

c Modellanlage zur Aufbereitung vonS c h l u f f e n ,

c Ausrüstung eines mobilen Lidar-Systems für die Fernerkundung vonL u f t s c h a d s t o f f e n ,

c Meßpfähle mit Sensorf i e r v o r r i c h-tung für die Ostsee- und Wa t t e n-m e e rf o r s c h u n g ,

c S e d i m e n t p r o b e n - S c h n e i d e v o r r i c h-t u n g .

Die Ausbildung ist für GKSS von zentralerBedeutung: Allein im Technikum wird in fünfBerufsgruppen ausgebildet.

Die im Technikum erarbeiteten CAD-Ze i c h n u n-gen stellen GBET dar, eine Bestrahlungsein-richtung zur Bor-Einfangtherapie: links derProbenfahrstuhl mit Kabine und Neutronen-Leiterbrücke, rechts die Kabine mit Proben-einsatz und Kühlvorrichtung.

früheren Jahrzehnten, nicht unge-wöhnlich. Offensichtlich ist eineDatenanalyse, die wenige Dekadene rfaßt, nicht ausreichend, um dienatürliche Variabilität des Sturm-klimas und anomale Entwicklungenzu unterscheiden.

Auch die Beantwortung der Frage, obsich das Seegangsklima in den letz-ten Jahrzehnten verschlechtert hat,wird durch ähnliche Inhomogenitäts-probleme erschwert. Die Meldungender – visuell vom Schiff oder Leucht-turm aus – geschätzten We l l e n h ö h e nkönnen durch veränderte Schiffsrou-ten, Schiffsgrößen und -geschwindig-keiten oder selbst durch den We c h-sel des Personals auf Leuchttürmenund Wetterschiffen beeinflußt sein.

Eine alternative Methode zur Beurt e i-lung von systematischen Ve r ä n d e r u n-gen des Wellenklimas besteht darin,ein dynamisches Wellenmodell übermehrere Jahrzehnte zu simulierenund dabei die analysierten Wi n d b e-dingungen als Antrieb einzusetzen.Im WASA-Projekt wurde mit demWellenmodell WAM (Wave Modeling)und den Luftdruckanalysen des nor-w e gischen Wetterdienstes von 19 55bis 1994 eine solche Rekonstruktiond u r c h g e f ü h rt .Diese Rechnung reproduziert homo-gene Reihen, die für das letzte Jahr-zehnt an einigen Orten von Bojenund Plattformen verfügbar sind.Dabei ergibt sich eine allmählicheZunahme der Wellenhöhe von etwaeinem Zentimeter pro Jahr in derNordsee. Ein Maximum von bis zuzwei Zentimetem pro Jahr wird imNordwesten Schottlands simuliert. Esist jedoch ebenso erkennbar, daß esim Nordatlantik große Bereiche gi b t ,in denen die mittlere We l l e n h ö h eabgenommen hat. Auch hier sindalso keine Befunde für eine signifi-kante Veränderung im Sinne einer,,Klimakatastrophe” erkennbar.

Die Theorie vom Einfluß klimarele-vanter Gase in der Atmosphäre auf die Temperatur der bodennahenLuftschichten wird heute weithina k z e p t i e rt. Daraus begründet sich die Sorge, daß die vom Menschen

bewirkte Erhöhung der Ko n z e n t r a-tionen dieser Gase in der Atmo-sphäre zu einer Klimaveränderungführen könne. Tatsächlich gibt esHinweise, daß solche Ve r ä n d e r u n g e nschon jetzt erfolgen. Seit einigenJahren nun gibt es realitätsnahe Kli-mamodelle, in denen dynamischeDarstellungen von Atmosphäre,Ozean und anderen Klimakompo-nenten miteinander verbunden sind.Sie beschreiben den jetzigen Klima-zustand und dessen Ve r ä n d e r u n g e n .Am Deutschen Klimarechenzentrumund am Max-Planck-Institut für Mete-o r o l o gie in Hamburg wurden solchemathematischen Experimente fürden Fall der verdoppelten Ko h l e n-d i o x i d - Konzentration – erwartet inder Mitte des kommenden Jahr-h u n d e rts – durchgeführt. Die damitverbundene Änderung der Sturm-tätigkeit, dargestellt anhand derWindstärke im Wi n t e r, ist dabei ehergering. Im zentralen Bereich desNordatlantik nimmt die Stärke derWinde ab, im Bereich der Nordseeist ein sehr mäßiger Anstieg und inder Biskaya ein deutlicherer Anstiegf e s t z u s t e l l e n .

Alle diese Veränderungen bleiben imRahmen der natürlichen Schwankun-gen des atmosphärischen Zustandes,denn wenn man zwei beliebige

Sechsjahresintervalle ohne Klima-wandel betrachtet, hat man aufgr u n dder statistischen Variationen mit ähn-lichen Windschwankungen zu rech-nen. Obwohl also längere Simula-tionen erforderlich sind, um belast-bare Aussagen zu erhalten, sinddiese Zahlen wertvoll, liefern siedoch immerhin eine Größenordnungder möglicherweise zu erwart e n d e nK l i m a ä n d e r u n g e n .

Umweltforschung

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Seit Anfang der neunziger Jahre nehmenschwere Stürme zu. Sind diese Vo r boten einerzu erwartenden „Klimakatastrophe”? DasWASA-Projekt, gefördert von der EU, ist dieserFrage nachgegangen.


Technikum

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Die ingenieurwissenschaftlichenund technischen Abte i l u n g e nder GKSS sind in der Ze n t r a l a b-teilung Technikum zusammenge-faßt. Neben wissenschaftlichenG r o ß g e r ä ten und der Fä h i g k e i t ,i n terdisziplinär zu arbeiten, isteine leistungsfähige und pro-b l e m b e w u ß te te c h n i s c h - w i s s e n-schaftliche Entwicklungskapa-zität für Experimentieranlagenund -geräte ein wesentlichesK r i terium dafür, bestimmte Fo r-schungsaufgaben in einem Fo r-schungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft zu bearbeite n .

Das Technikum verf ü gt über dieseEntwicklungskapazität, die im wesent-lichen aus qualifizierten Ingenieurenbesteht, zu der aber auch entspre-chend ausgestattete Ve r s u c h s w e r k-stätten gehören, in denen Prototyp-f e rtigungen sowie Änderungen undReparaturen durchgeführt werdenkönnen. Insbesondere bei laufendenExperimenten, Feldkampagnen undknapp terminierten Fo r s c h u n g s a u f-trägen für Dritte ist ein schneller,unbürokratischer Zugriff auf geschul-tes Werkstattpersonal erf o r d e r l i c h .

A u f grund langjähriger Erfahrung undeines dabei erworbenen Spez i a l w i s-sens sind die Mitarbeiter des Te c h n i-kums in der Lage, in Zusammenar-beit mit den Wissenschaftlern derverschiedensten Disziplinen das In-strumentarium zu erstellen, das be-n ö t i gt wird, um erstklassige experi-mentelle Forschung zu betreiben.Durch die Bündelung der Kapazität ineiner zentralen Stelle werden einhohes Maß an Flexibilität, eine guteAuslastung der Fachkräfte und einOptimum an Qualität erreicht.

Voraussetzung hierfür ist aber, daß eszu einer wirklichen, echten Zusammen-arbeit mit den Wissenschaftlern derInstitute kommt. Brauchbare Experimen-tiereinrichtungen können nicht ein-fach bestellt werden, sie sind jedes-mal einmalig in ihrer Art und müssengemeinsam erarbeitet werden.

Im Mittelpunkt der GKSS-Umwelt-forschung stehen Untersuchungendes Tr a n s p o rts und des Austauschesvon natürlichen und anthropogenenStoffen in den küstennahen Berei-chen der Nord- und Ostsee, vorallem aber in Tidebereich von Elbeund We s e r. Regelmäßig werden imZuge dieser Untersuchungen um-f a n greiche Feldexperimente undMeßkampagnen durchgeführt, andenen Wissenschaftler verschiedenerGKSS-Institute sowie von Universi-täten und Forschungsinstituten desIn- und Auslandes teilnehmen.

Das Technikum stellt mit seiner Ab-teilung Maritime Logistik das für der-a rtige umfangreiche Experimentee rforderliche schwimmende Gerätund das für das Ausbringen derMeßsysteme geschulte Fa c h p e r s o n a lauch für Unterwasserarbeiten zurVe rfügung. An Großgeräten sind zunennen das Forschungsschiff „LudwigP r a n d t l ”, der zur Zeit im Oderhaff ein-gesetzte Meßponton META II sowiedie in der Unterelbe vor Brunsbüttelv e r a n k e rte Diskus-Großboje META I.

Im Frühjahr 1998 wurde das Meß-boot „Storch“ neu in Dienst gestellt.Mit diesem schnellen und wendigenMeßboot (Länge über alles 10 , 30 m)sollen vor allem kürzere Meßkam-pagnen auf der Elbe und im Hambur-ger Hafen durchgeführt werden, umdie „Ludwig Prandtl“ zu entlasten.

Zum Technikum gehören aber auchA r b e i t s gruppen, deren Aufgabe esist, selbständig ingenieurwissenschaft-liche Forschungs- und Entwicklungs-arbeiten zu planen und durchzu-führen. Insbesondere im Fo r s c h u n g s-schwerpunkt Trenn- und Umwelt-technik bearbeitet die AbteilungP r ozeßtechnik die Projekte Sorptions-v e rfahren und Aufbereitung vonSchluffen des Projektfeldes Kreislauf-t e c h n i k .

Eine weitere Gruppe von Expert e ndes Bereiches Unterwassert e c h n i karbeitet in engem Kontakt mit Indu-

s t r i e p a rtnern, Klassifizierungsgesell-schaften und Zert i f i z i e r u n g s s t e l l e nauf den Gebieten der Ausbildungvon Tauchern und Unterwasser-schweißern sowie der Baumuster-prüfung von Industrieprodukten (z.B.Taucherausrüstungen) und Druck-und Funktionsprüfungen von Gerä-ten, Behältern und kompletten Sy s t e-men für den Unterwassereinsatz.In enger Zusammenarbeit mit demGermanischen Lloyd betreibt dieAbteilung TAP ein durch die Zen-tralstelle für Sicherheitstechnik,München, zert i f i z i e rtes Prüflabor fürpersönliche Schutzausrüstungen fürU n t e r w a s s e r a r b e i t e n .

Die Lehrgänge für Unterwasser-schweißer werden in enger Zusam-menarbeit mit der Schweißtechni-schen Lehr- und Ve r s u c h s a n s t a l tNorddeutschland nach den vonGKSS miterarbeiteten Richtlinien desDeutschen Verbands für Schweiß-technik (DVS) durchgeführt. D i ePrüfungen werden durch den Landes-prüfungsausschuß des DVS für Ham-burg und Schleswig-Holstein abge-n o m m e n .

Das Technikum leistet einen nichtunerheblichen Beitrag zur Behebungdes Mangels an Ausbildungsplätzen:Ausgebildet werden Lehrlinge in denBerufen Technische(r) Zeichner(in),E n e r gieelektroniker(in), Fe i n m e c h a-niker(in), Maschinenbaumechani-ker(in) und Dreher(in). Aufgrund derhervorragenden Ausbildungsmöglich-keiten, vor allem aber wegen desgroßen Engagements der verantwort-lichen Ausbilder schließen die Auszu-bildenden ihre Prüfungen durchwegmit überdurchschnittlich guten Ergeb-nissen ab und haben dadurch sehrgute Aussichten, einen Arbeitsplatzzu finden.

Regelmäßig wird eine große Zahl In-genieurpraktikanten und Diploman-den der Fachrichtungen Fe rt i g u n g s-technik, Konstruktionstechnik, Meß-und Regeltechnik, Automatisierungs-technik sowie Prozeßtechnik betreut.

Aus der Arbeit des Te c h n i k u m s


Der Bundesbericht Forschung betontnach wie vor die Bedeutung staat-licher Förderung zur Erzielung neuerInnovationsschübe. Das Hochlohn-land Deutschland ist im weltweitenWettbewerb auf eine hohe Innova-tionskraft angewiesen. Insbesonderebei Forschungsvorhaben mit mittel-und langfristigen Perspektiven ist dass t r a t e gische Zusammenwirken vonöffentlicher Forschungsförderung undzukunftsträchtiger Nutzung der Fo r-schungsergebnisse unerläßlich.

Die Formulierung einer langf r i s t i g e nv o l k s w i rtschaftlichen Perspektive istdabei eng gekoppelt an die Finan-zierung daraus abgeleiteter Aufga-ben. Diese strategischen Aufgabenkönnen nur zu einem Teil von privat-w i rtschaftlichen Unternehmen über-nommen werden, weil die Dauer,die Intensität und der Umfang ent-sprechender Fo r s c h u n g s a r b e i t e nderen Möglichkeiten in aller Regelüberschreiten. Auch ist der Zeitraum,den Innovationen von der Idee bis

zur Anwendung benötigen, für eineprivate Forschungsfinanzierung nachm a r k t w i rtschaftlichen Kriterien in derRegel zu groß. Aus diesen Gründend o m i n i e rt die Beteiligung von Bundund Ländern an technologi e o r i e n t i e r-ten Helmholtz-Zentren wie GKSS.

In Zukunft werden jedoch die Fö r d e-rungen konkret definierter Projekteder Grundfinanzierung gegenüberverstärkt. Auf die Finanzierung überDrittmittel wird also in Zukunft eingrößeres Augenmerk gerichtet wer-den. Infolge dieser Verlagerung ist esfür jede öffentlich finanzierte Fo r-schungseinrichtung notwendig, stär-ker als bisher Kontakt mit möglichenKo o p e r a t i o n s p a rtnern aufzunehmen.

Besonders erfreulich ist, daß durchdie Intensivierung und Ausweitungder internationalen Ko o p e r a t i o n e nauch erheblich mehr Mittel von derEuropäischen Union eingeworbenw e r d e n .

72

M i t t e l h e r k u n f t

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Organe und Gremien

Das Stammkapital des GKSS-Forschungszentrums in Höhe von DM 80.000,- wurde per 31 . 5 . 1998 gehalten von:

c Bundesrepublik Deutschland: DM 37.000,- (46,25 %)

c nachfolgenden Bundesländer mit je DM 1000,- (insgesamt 5 %) des Stammkapitals:

Freie und Hansestadt Hamburg

Land Brandenburg

Land Niedersachsen

Land Schleswig-Holste i n

c Verein der Freunde und Förderer des GKSS - Forschungszentrums e.V. : DM 15.000,- (18 ,75 %)

c weiteren Gesellschaftern aus Industrie, Schiffbau, Schiffahrt und Banken mit einem Gesamtanteil von DM 24 . 0 0 0 , -( 30,00 %), gehalten von:

G e s e l l s c h a f t e r v e r s a m m l u n g

Blohm & Voss AG ,H a m b u r g

Blohm & Voss AG , Hamburg, mit Thomas Entz Tanker GmbH, R e n d s b u r g ,in Gesellschaft bürgerlichen Rechts

Commerzbank AG ,Fr a n k f u rt / M a i n

Deutsche Bank AG ,H a m b u r g

Dresdner Bank AG ,H a m b u r g

John T. Essberger, H a m b u r g ,mit Deutsche Afrika-Linien GmbH & Co., H a m b u r g ,in Gesellschaft bürgerlichen Rechts

Germanischer Lloyd AG ,H a m b u r g

H a m b u r gische Electrizitäts-Werke AG ,H a m b u r g

Howaldtswerke-Deutsche We rft AG ,K i e l

Krupp Industrietechnik GmbH,D u i s b u r g

M a n n e s m a n n r ö h r e n - Werke AG ,D ü s s e l d o rf

MAN Te c h n o l o gie GmbH,M ü n c h e n

Preussen Elektra AG ,H a n n o v e r

L. Possehl & Co. mbH, L ü b e c k ,mit Draegerwerk AG , L ü b e c k ,in Gesellschaft bürgerlichen Rechts

Schleswag Aktiengesellschaft,R e n d s b u r g

Siemens AG ,M ü n c h e n

S IHI Industry Consult GmbH,I t z e h o e

Stadtwerke Flensburg GmbH,F l e n s b u r g

Verband für Schiffbau und Meerestechnik e.V. ,H a m b u r g


Einen besonderen Stellenwert habendabei Projekte, die von der Europä-ischen Union im internationalenWettbewerb vergeben werden. Be-reits in den letzten Jahren konnteGKSS auf diesem Sektor sowiedurch Ausweitung der internationa-len Kontakte erhebliche Mittel zu-sätzlich einwerben.

E r k l ä rtes Ziel des Bundesministe-riums für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Te c h n o l o gie (BMBF )ist es, die Grundfinanzierung derHelmholtz-Zentren zu reduzierenund die Projektarbeit durch neueRahmenbedingungen zu fördern.Insbesondere die Möglichkeit, dieaus diesen Fo r s c h u n g s a r b e i t e nresultierenden Erträge im Unter-nehmen zu belassen, stellt einenstarken Anreiz dar. Die neuen Orga-nisationsprinzipien der Matrixstruktur– kleine Teams auf Zeit mit klar um-grenzter Aufgabenstellung – sindder richtige Weg, auch morgen denAnforderungen in einem möglicher-weise neuen Fo r s c h u n g s v e r b u n dgewachsen zu sein.

Eine weitere Komponente der Struk-turänderungen von GKSS ist die Be-tonung langfristig nutzen- und an-w e n d u n g s o r i e n t i e rter Arbeiten, diedie Großforschung für Ko o p e r a t i o n s-p a rtner attraktiv macht. Dies gilt imbesonderen Maße für die mittelstän-dische Industrie, die sich, anders alsGroßunternehmen und Ko n z e r n e ,keine eigenen Fo r s c h u n g s a b t e i l u n-gen und Forschungszentren leistenkönnen. Von seiten der GKSS be-steht gegenüber diesen Pa rt n e r neine besondere Bereitschaft, Ko o p e-rationen zu vereinbaren. Hierzu wirdin den kommenden Jahren dasneue Werkstoffanwendungs- undTe c h n o l o gi ezentrum als Dialog-p a rtner zur Ve rfügung stehen.

Obwohl große Unternehmen eigeneForschungseinrichtungen betreiben,ist es doch auch für die Großen derBranchen interessant, Ko o p e r a t i o n s-v e rträge auf der Basis längerf r i s t i gangesetzter Fo r s c h u n g s s t r a t e gien ge-meinsam mit GKSS zu suchen undgemeinsame Lösungen für konkreteProbleme zu erarbeiten. Ziel ist, dieVerbindung der Möglichkeiten derGrundlagenforschung für die Anwen-dung in größtmöglichem Umfang zunutzen und die anwendungsorien-t i e rten Arbeiten zu verbessern.

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Kennzahlen

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Der Aufsichtsrat überwacht nach dem Gesellschaftsvertrag die Rechtmäßigkeit, Zweckmäßigkeit und Wi rt s c h a f t l i c h k e i tder Geschäftsführung. Zu seinen Aufgaben und Befugnissen gehören weiterhin:c die Entscheidung über strategische, forschungspolitische und finanzielle Angelegenheiten der Gesellschaft,c der Beschluß über die Grundsätze für eine Erfolgskontrolle der wissenschaftlich-technischen Arbeiten,c die Weisungsbefugnis gegenüber Geschäftsführung und Wi s s e n s c h a f t l i c h -Technischem Rat in wichtigen forschungs-

politischen und wichtigen finanziellen Angelegenheiten,c die Zustimmungspflicht bei einer Reihe von Rechtsgeschäften der Gesellschaft.Dem Aufsichtsrat gehörten bis zum 31 . 5 . 1998 folgende Personen an:

M i n i s terialdirektor Dr. Eckhard Lübbert ( Vorsitzender ab 12 . 1 . 19 9 8 )Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Te c h n o l o gie, Bonn

M i n i s terialdirigent Dr. Christian Pa te r m a n n ( Vorsitzender bis 12 . 1 . 19 9 8 )Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Te c h n o l o gie, Bonn

Rudolf-Adolf DietrichG K S S - Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Geesthacht

D r. Thomas DuhnkrackMitglied der Geschäftsleitung der Deutschen Bank AG, Hamburg

Dipl.-Ing. Gerhard FischerGermanischer Lloyd Hamburg, Hamburg

D r.-Ing. Friedrich-Hans GrandinR a t i n g e n

Prof. Dipl.-Ing. Gerhard GütschowR e i n b e k

R e gierungsdirektor Karl-Heinz Heller (bis 12 . 1 . 19 9 8 )Bundesministerium der Finanzen, Bonn

M i n i s terialdirigent Dr. Fritz Holzwart hBundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, Bonn

M i n i s terialrätin Dr. Ursula Kleinhans (seit 21 . 4 . 19 9 8 )Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Brandenburg, Po t s d a m

Senatsrat Rainer Köttgen (bis 31 . 12 . 97 )Senator für Bildung, Wissenschaft, Kunst und Sport der Freien und Hansestadt Bremen, Bremen

M i n i s terialrat Dr. Axel KollatschnyNiedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Ku l t u r, Hannover

M i n i s terialdirigent Uwe Lützen ( s t e l l v e rtretender Vo r s i t z e n d e r )Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Schleswig-Holstein, Kiel

D r. Michael Pf u f fG K S S - Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Geesthacht

Prof. Dr. jur. Bernd RebePräsident der Technischen Universität Carolo-Wilhelmina zu Braunschweig, Braunschweig

R e gierungsdirektor Dr. Jürgen Roemer-Mähler (seit 12 . 1 . 19 9 8 )Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Te c h n o l o gie, Bonn

Karin Roth (bis 31 . 3 . 19 9 8 )Vorsitzende des DGB, Landesbezirk Nordmark, Hamburg

D r. Nico ScharnaglG K S S - Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Geesthacht

Senatsdirektor Gerhard SchneiderBehörde für Wissenschaft und Forschung der Freien und Hansestadt Hamburg, Hamburg

A u f s i c h t s r a t


Die Grundfinanzierung der GKSSdurch Bund und Länder ist seit1994, bedingt durch die angespann-te Finanzsituation, nahezu konstantgeblieben. Dennoch weisen dieGKSS-Einnahmen eine erf r e u l i c h eSteigerung auf. Zusätzlich eingewor-bene Projektfördermittel sowie eineVerbesserung der eigenen Ert r ä g edurch Auftragsforschung, Lizenzein-nahmen und Produkt- und Ve rf a h-rensentwicklungen mit Industrie-p a rtnern haben zu dieser positivenEntwicklung der Einnahmenseiteg e f ü h rt. Dies zeigt, daß die innovati-ven und kreativen Forschungs- undEntwicklungsarbeiten der GKSS sichals Produkte am Markt durchsetzen.

Tariferhöhungen und die damit ver-bundenen Pe r s o n a l k o s t e n s t e i g e r u n-gen konnten in den letzten Jahrenim wesentlichen durch die Umset-zung des geforderten Pe r s o n a l a b-baus aufgefangen werden.

Forschung und Entwicklung sind inbesonderem Maße von der direktenFörderung durch Bund und Ländera b h ä n gig. Der Sektor der öffentlichenDienste und Einrichtungen, zu denenauch die Grundfinanzierung der GKSSzählt, rechnet auch für die kommen-den Jahre mit maximal gleich bleiben-d e n Fördermitteln, welches jedochreal eine weitere Reduktion bedeu-tet. GKSS wird daher verstärkt dieZusammenarbeit mit Pa rtnern derWi rtschaft, Förderern und Behördenim In- und Ausland intensivieren, um dadurch zusätzliche Einnahme-quellen zu erschließen.

70

E i n n a h m e n

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Organe und Gremien

Der technisch-wissenschaftliche Beirat (twB) bildet die zentrale Verbindung zu Einrichtungen außerhalb der GKSS: zuHochschulen, zur Industrie und zu anderen Forschungseinrichtungen. Aus jedem Arbeitsgebiet gehören deshalb meh-rere Sachverständige dem Beirat an. Die Aufgabe des twB ist die Beratung der Gesellschaft und des Aufsichtsrates inallen wissenschaftlichen Fragen. Hierzu gehören insbesondere die regelmäßigen Beratungen über die langf r i s t i g e nForschungs- und Entwicklungsprogramme, die Beratung über den Ergebnisbericht und die Beratung der Gesellschaftbei der Planung und Ausführung ihrer Arbeiten. Der Aufsichtsrat kann dem twB weitere Aufgaben im Einzelfall zurBeratung übertragen. Die Mitglieder des twB werden vom Aufsichtsrat für vier Jahre berufen. Er bestand am 31 . 5 . 19 9 8aus folgenden Pe r s o n e n :

Prof. Dr. Reimar Lüst ( Vo r s i t z e n d e r )Alexander-von-Humboldt-Stiftung / M ax-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg

Prof. Dr. Ernst Augste i nA l f r e d - Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung, Bremerhaven

Prof. Dr. Georg BüldtInstitut für Biologische Informationsverarbeitung, Forschungszentrum Jülich, Jülich

Prof. Dr. Karl CammannInstitut für Chemo- und Biosensorik an der Westfälischen Wilhelms-Universität, Münster

Prof. Dr. Franciscus ColijnForschungs- und Te c h n o l o gi ezentrum Westküste der Universität Kiel, Büsum

Prof. Dr. Wo l f - D i e ter DeckwerGesellschaft für Biologische Forschung mbH (GBF), Braunschweig

Prof. Dr. Fr a n z - D i e ter FischerInstitut für Mechanik, Christ.-Doppler-Lab., Leoben, Österreich

Prof. Dr. Helmut Fö l lTechnische Fakultät der Universität Kiel, Kiel

Prof. Dr. Ulrich Fö r s t n e rArbeitsbereich Umweltschutztechnik, Technische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg

Prof. Dr. May-Britt HäggTelemark Institute of Te c h n o l o gy, Po r s grunn, Norwegen

Prof. Dr. Niels HansenMaterials Department, Risø National Laboratory, Roskilde, Dänemark

Barend Pe kShell International Oil Products B.V., Amsterdam, Niederlande

Prof. Dr. Armin RellerInstitut für Anorganische und Angewandte Chemie der Universität Hamburg, Hamburg

Prof. Niels-Pe ter Rühl (1. stellvertretender Vo r s i t z e n d e r )Bundesamt für Seeschiffahrt und Hydrographie (BSH), Hamburg

Prof. Dr. Alfred SchmidtInstitut für Ve rfahrens- und Brennstofftechnik an der TU Wien, Wien, Österreich

D r. Wolfgang Schneider (2. stellvertretender Vo r s i t z e n d e r )Daimler-Benz Aerospace Airbus GmbH, Hamburg

Michael Wi n d i s c hM A N -Te c h n o l o gie, Karlsfeld

D r. Jürgen Wo rt m a n nMTU, Abt. EFM, München

technisch-wissenschaftlicher Beirat


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Organe und Gremien

68


88

I m p r e s s u m

H e r a u s g e b e r :G K S S - Fo r s c h u n g s z e n t r u mGeesthacht GmbHM ax - P l a n c k - S t r a ß eD- 21502 Geesthacht

R e d a k t i o n :H . - F. Christiansen (verantwort l i c h )F. Ta u c h e r

Autoren ( S e i t e n a n g a b e ) :W. Albrecht (30 )F. Appel (18 )W. Dietzel (22 )R. Doerffer (42)K. Ebert (26 )G. Flöser (54 )H . -G. Hicke (32 )H.-J. Isemer (48)T. Klassen (20 )G. Luther (36 )G. Petersen (50 )K. Richau (34 )J. Vollbrandt (14 )C. Weitkamp (52 )M. Wilichowski (38 )R. Willumeit (16 )

Fotos und Grafiken( S e i t e n a n g a b e ) :W. Albrecht (30, 31 )Bavaria-Bildagentur (81 )A. Behrendt (52, 53 )Daimler-Benz AG (21 )W. Dietzel (22, 23 )Dittmer oceanographic instruments (55 )R. Doerffer (42, 44, 45, 46, 47 )dpa-bild (49)European Space Agency (ESA) (43)G. Flöser (54 )G+J Fotoservice (26, 32, 36, 79 )GKSS-Archiv (9, 29 , 17, 23, 55, 77, 80)G. Hillis, Agentur Hillis ( 12, 16, 18, 20, 21, 24, 26, 27, 30 ,33, 34, 35, 38, 39, 40, 56, 58 )G. Hillis (14, 60)Image Bank (80)A. Kiefer (2)

U. Lorenz (19 )G. Luther (37 )G. Petersen (50, 51 )J. Reichardt (53 )K. Richau (35 )C. Ruhe (Ti t e l /4 8 )M. Schossig-Tiedemann (28, 32 )F. Taucher (59 )Vinnolit Kunststoff GmbH (82)A. Vogel (58 )J. Vollbrandt (15 )P. Wietstock (36 )M. Wilichowski (38, 39 )R. Willumeit (17 )

Layout & Satz:S. Boettger Computer Service(SBCS), Geesthacht

L i t h o g r a f i e :Die Sternwerke, Hamburg

D r u c k :Druckerei Albert Nienstedt GmbH,H a m b u r g

ISSN 14 30 - 7278

Gedruckt auf umweltfreundlichem,c h l o rfrei gebleichtem Pa p i e r

Die Personalausgaben haben sichgegenüber dem Jahr 1996 um 2,4 % erhöht. Verursacht ist diesdurch Tarifanpassungen von 1,3 %und die Erhöhung des Pe r s o n a l-bestandes – trotz weiteren Abbausvon Planstellen.

Der Rückgang der Sach- und Investi-tionsausgaben um etwa 10 % ge-genüber dem Vorjahr ist darin be-gründet, daß sich das Projekt zurEntsorgung schwach radioaktiverAbfälle und zwei Investitionsvor-haben verzögert haben und außer-dem die zum 31 . 10 . 19 97 verf ü gt e„ h a u s h a l t s w i rtschaftliche Sperre“ zuMinderausgaben bz w. Ve r s c h i e b u n-gen in das Folgejahr geführt haben.

73

Kennzahlen

A u s g a b e n


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Lagepläne – Anschriften

A n s c h r i f t e n

GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH

M ax - P l a n c k - S t r a ß eD- 21502 Geesthacht

Telefon: 0 4152 / 87-0Te l e f ax : 0 4152 / 87-14 0 3

GKSS-Institut für Chemie, Außenstelle Te l t ow

Kantstraße 55D- 14513 Te l t o w - S e e h o f

Telefon: 0 33 28 /46 -0Te l e f ax : 0 33 28 /46-4 52

Lageplan Te l t ow

Die von Bund und Ländern geforder-te Stellenreduktion mußte im vergan-genen Jahr weiter fort g e f ü h rt werden.Auch im nächsten Jahr wird der Ab-bau von Planstellen mit voraussicht-lich 1,5 % p.a. fortgesetzt, so daßzukünftig ein noch größeres Augen-merk auf die drittmittelfinanziert e nStellen gerichtet werden muß.

Zeitlich befristete Anstellungsvert r ä g ewerden in Zukunft weiter an Bedeu-tung gewinnen, um eine optimaleStimmigkeit zwischen Projektanfor-derungen und den Qualifikationender Mitarbeiter zu erzielen. Damitd o k u m e n t i e rt GKSS ihr Vo r h a b e n ,durch Mitarbeiter, Mandate und Pro-jekte auf Zeit, die inhaltliche undzeitliche Konzentration auf definiert eProjekte zu verstärken und schnellzu konkreten Lösungen zu gelangen.

74

M i t a r b e i t e r


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Lageplan Geesthacht

GKS S -G e l ä n d e p l a n

Ein Unternehmen steht und fällt mitdem Engagement und der Identifi-kation seiner Mitarbeiter. Ein beson-deres Gewicht wird zukünftig ver-m e h rt auf die Aus-, Fo rtund We i t e r-bildung des Personals gelegt, denngerade eine Fo r s c h u n g s e i n r i c h t u n gwie GKSS ist auf qualifizierte Mitar-beiter angewiesen. Mehr als einSiebtel des Personals befindet sichzur Zeit in Ausbildung. Dazu zählenDoktoranden, Diplomanden, Prakti-kanten sowie Auszubildende im kauf-männischen und handwerklichen Be-reich. Mit zahlreichen Hochschulenund Universitäten bestehen Aus-tauschabkommen und Ko o p e r a t i o n s-vereinbarungen.

75

Kennzahlen


Technologiezentrum

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Daten, die den Zustand unserer Um-welt beschreiben, fallen in zuneh-mendem Maße in der Fo r s c h u n g ,bei Behörden und im privatwirt-schaftlichen Bereich an. Mit zuneh-mender Leistungsfähigkeit der Com-puter und wachsendem Informa-t i o n s b e d a rf steigen die Datenmen-gen und die Anforderungen an Ve r-arbeitung und Aufbereitung. SC I CO Nbietet hierfür Ko n z e p t e n t w i c k l u n gund Projektmanagement, Mitarbeitbei wissenschaftlichen Studien, dieDurchführung von Datenverarbeitungund Softwareentwicklung an. Hierf ü rv e rf ü gt SC I CON über die techni-schen Grundlagen und die notwen-dige Fa c h k e n n t n i s .S p ezielle Dienste bietet SC I CON fürFernerkundungsdaten und den Ein-satz geographischer Informations-systeme (GIS) an. Fe r n e r k u n d u n g s-daten, spezielle Satelliten- und Flug-zeugdaten, sind wichtige We r k z e u g efür Planung, Umweltbeobachtung

und -bewertung. Geographische In-formationssysteme werden alsGrundlage zur Entscheidungsfindungin Verwaltung, Wi rtschaft, Manage-ment und Raumentwicklung einge-setzt. In ihnen werden auf kart o gr a-phischer Grundlage Punktdaten, Ve k-

tordaten und Flächendaten – wie z.B.Fernerkundungsdaten – vereinigt .SC I CON wurde 1994 von UlrikeKleeberg und Carsten Brockmanng e gründet und beschäftigt derzeit vier weitere Mitarbeiter. Auf der Basisvon Projekten wird dieses Te a mdurch freie Mitarbeiter ergänzt. Zuden Kunden zählen nationale (u.a.DLR Oberpfaffenhofen) und interna-tionale Organisationen und Firmen(u.a. VTT Finland, ESA Fr a n k r e i c h ,JRC Italien).

S CICON Scientific Consulting ServicesD r. Carsten Brockmann undUlrike Kleeberg GbR

Tel.: 04152 / 8714 56Fax: 04152 / 8714 55e-mail: [email protected]: http://scicon.gkss.de

Umweltdaten und Datenverarbeitung

Durch den Einstieg in den HighTech- Bereich der Analytik konnte sich dasK MU GALAB ein Marktsegmentsichern, das nach sechs Jahren seitder Gründung immer noch Wa c h s-tumsperspektiven eröffnet. DieUnternehmensfelder von GALAB sinddie Analytik, die Beratung und dieEntwicklung. Auf dem Spez i a l g e b i e tder Analytik von metallorganischen

Verbindungen hat sich GALAB inDeutschland zum Marktführer ent-wickelt. Dies gilt insbesondere für die Analytik des endokrin wirksamenTributylzinns (kurz: TBT). Für diesenBereich konnten neue Arbeitsplätzegeschaffen werden. Im internationa-len Vergleich mißt sich GALAB erf o l g-reich mit führenden Laboratoriendurch Teilnahme an Ringv e r s u c h e n ,um die hohe Qualität seiner Analyt i kunter Beweis zu stellen. Im Geschäftsjahr 19 97 wurde beiG A LAB der Unternehmensbereich deswissenschaftlichen Beratungsdienstesfür die Industrie ausgebaut. Vi e l f a c hkonnten aufgrund der Nähe zur GKSSden Kunden innerhalb kurzer ZeitLösungen für ihre speziellen Fr a g e-stellungen angeboten werden. GALA Bkann auf diesem Weg Industrie undGroßforschung „lösungsbezogen“ zu-sammenführen. Dieser Bereich wirdzukünftig weiter ausgebaut werden.

Forschung und Entwicklung sind dieKeimzelle für Innovationen. GALA Bsieht sich als ein Bindeglied zwi-schen der Forschung und der Markt-einführung von HighTe c h - P r o d u k t e n .Auch zukünftig soll versucht werden,flexibel auf den Markt zu reagi e r e nund Entwicklungen aus dem Bereichder Forschung heraus in den Markteinzuführen. Dies soll durch eineenge Zusammenarbeit mit denInstituten der GKSS erreicht werden.�

G A LA BD r. Maximilian HempelD r. Eckard JantzenD r. Jürgen Kuballa

Tel.: 04152 / 8728 35 und 8728 36Fax: 04152 / 8728 34e-mail: [email protected]

G A LAB – ein KMU im Aufwind

Visualisierung atmosphärischer Schadstoff-a u s b r e i t u n g

ExistenzgründungInvestitionsgüterDienstleistungen

Existenzgründungen im Hochtechnologiesektor - Strategisches Konzept -

➣➣ ➣➣

Analytik · Beratung · Entwicklung

HighTech-KMU

Forschungs-einrichtung

Markt,Kunde

F&E-Planung

Produkt-entwicklung

Prototyp

Problem-identifizierug

Testphase

Markteinführung

Problem-definition

"first user"

Problemlösung

Dynamik und Kreativität vonWissenschaft und Forschung er-wachsen aus der We c h s e l w i r-kung mit ihrem Umfeld. Alsnationales Fo r s c h u n g s z e n t r u mmit stark anwendungsorientier-ter Ausrichtung der Fo r s c h u n g s-a r b e i ten ist für GKSS der engeKontakt zu Industrie und Hoch-schule, aber auch zu der Bevöl-kerung ganz allgemein als Im-pulsgeber für die Entwicklungenvon zentraler Bedeutung.

Neue Hochtemperaturwerkstoffemüssen beispielsweise nicht nur imLabormaßstab herstellbar sein, son-dern sie müssen auch gr o ß t e c h n i s c hproduzierbar sein. Nicht nur dieMachbarkeit eines neuen Ve rf a h r e n sim Pilotmaßstab ist bedeutend fürGKSS, vielmehr wird zunehmenddas Gewicht in Richtung der industri-ellen Ve r w e rtbarkeit verschoben.

Te c h n o l o gietransferleistung ist derneue Maßstab, mit dem GKSS sich

international vergleichen muß. NeueWerkstoffe müssen deshalb nichtnur bearbeitbar sein, sie müssenüberdies wirtschaftlich produzierbarsein. Das sind Anforderungen, diebereits bei der Entwicklung derWerkstoffe formuliert und berück-s i c h t i gt werden. GKSS besitzt dahernicht nur eine international aner-kannte Kompetenz auf dem Gebietder Materialforschung, sondern istauch Forum für Strategi e g e s p r ä c h emit der Industrie.

Die Einbeziehung der Öffentlichkeitdurch einen intensiven und ver-ständlichen Informationsfluß ist vonzentraler Bedeutung für die Akzep-tanz der wissenschaftlichen Arbeit.Zwar ist der Zusammenhang vonWi rtschaftswachstum und der Ent-wicklung neuer Techniken und Ve r-fahren im Bewußtsein der Bevöl-kerung verankert, jedoch hemmt invielen Fällen eine unzureichendeInformation deren Einführung. GKSSversteht sich daher auch als Fo r u m

für eine sachgerechte und proble-m o r i e n t i e rte Diskussion mit denMedien und der Öffentlichkeit. Glei-chermaßen wichtig ist der ständigeDialog mit Landes- und Bundesbe-hörden. So wird ein großer Teil derGKSS-Umweltforschung einerseits m i tdem Ziel der Umsetzung in Hand-lungen von öffentlichen Einrichtun-gen durchgeführt, zum anderen aberauch, um neue Anforderungen andie Forschung aufzunehmen undAktivitäten daraus abz u l e i t e n .

Die langfristige Sicherung der Bun-desrepublik Deutschland als wirt-schaftlichen Standort, der Ausbauund die Intensivierung neuer, iminternationalen Maßstab bedeuten-der Te c h n o l o gien sowie die rascheUmsetzung wissenschaftlicher Ergeb-nisse sind die zentralen Herausfor-derungen, denen sich GKSS auch inZukunft weiterhin stellen wird. DieSchaffung und Pflege vielfältiger Um-f e l d b eziehungen ist eine wesentlicheVoraussetzung für den Erf o l g .

76

Ü b e r b l i c k


84

Aus dem in den letzten Jahren beiGKSS entwickelten Wellenradar zurE rfassung von Seegang wurde dasWaMoS (Wave Monitoring Sy s t e m )zum eigenständigen und marktfähi-gen Produkt. Die Firma „JürgenDittmer oceanographic instruments“wurde am 1. Mai 1994 gegr ü n d e tund kann sich seitdem mit demVe rtrieb und der We i t e r e n t w i c k l u n gvon WaMoS erf o l greich auf demfreien Markt behaupten. IntensiveKontakte und Geschäftsbez i e h u n-gen bestehen zu Pa rtnern in Nor-wegen, Spanien, Großbritannienund Japan. In den vergangenenMonaten wurden Wa M o S - S t a t i o n e nauf einem neuartigen Ölförderschiff– dem FPSO (Floating ProductionStorage and Off-loading Ve s s e l )„Norne“ – der norwegischen Öl-gesellschaft StatOil installiert sowiein der Hafenanlage von Las Pa l m a s ,Gran Canaria.

Seit Oktober 1996 besteht dieZusammenarbeit mit „Ocean Sens-Ware“; das Hauptaugenmerk liegt im Ve rtrieb und in der wissenschaft-lichen Aufbereitung der Meßdaten.Der enge Kontakt zwischen „oceano-graphic instruments“, „Ocean Sens-Ware“ und GKSS sichert die ständige

Weiterentwicklung von WaMoS. Die Errichtung einer Referenz-Stationin Deutschland, z.B. auf Helgoland,wird derzeit angestrebt. Dies würdesowohl den nationalen als auch in-ternationalen Einsatz des Sy s t e m swesentlich fördern.

Dipl.-Ing. Jürgen Dittmeroceanographic instruments

Tel.: 04152 / 8714 8 8 0Fax: 04172 / 9 6120 3e-mail: [email protected]: http://wave.gkss.de

Dem Seegang mit Wellenradar auf der Spur

Ocean SensWare bietet Sy s t e m l ö-sungen, von der Umsetzung wissen-schaftlicher Ergebnisse in marktfähigeProdukte bis zur kundenorientiert e nDienstleistung. Die mit einem Markt-potential an Forschungszentren undUniversitäten entwickelten Te c h n o l o-gien werden standardisiert und be-züglich ihrer Benutzerf r e u n d l i c h k e i tm o d i f i z i e rt. Für diese Produkte über-nimmt Ocean SensWare das Marke-ting und den Ve rtrieb sowie damitverbundene kundenspezifische Soft-

wareanpassungen. Im Rahmen derpraktischen Anwendung reicht dasLeistungsspektrum von der Daten-a u s w e rtung bis zum kompletten Pro-j e k t m a n a g e m e n t .Ocean SensWare kooperiert eng mitder Firma „oceanographic instru-ments“ und ist daher sowohl beiwissenschaftlichen als auch bei in-g e n i e u rtechnischen Fr a g e s t e l l u n g e nein kompetenter Pa rt n e r. Die guteZusammenarbeit der beiden Firmenz e i gt sich in der We i t e r e n t w i c k l u n gund Vermarktung des Seegangs-m e ß v e rfahrens WaMoS II. DiesesFe r n m e ß v e rfahren bietet die Mög-lichkeit, sowohl vom Schiff als auchvon festen Plattformen aus die wich-tigsten Seegangs- und Strömungs-parameter zu erfassen. Hier bietenwir zusätzlich zum Meßgerät, dasauch gemietet werden kann, die Planung und Durchführung vonProjekten bz w. Meßkampagnen an.

Weiterhin übernehmen wir gernedie anschließende Datenauswert u n gund die Erstellung von Datenreports. Die enge Zusammenarbeit der FirmaOcean SensWare mit der GKSS stellteinen entscheidenden Faktor beimTransfer wissenschaftlichen Know-Hows in die Anwendung dar. OceanS e n s Ware wurde im Rahmen desvon GKSS unterstützten Te c h n o l o-gietransfers am 1. Oktober 19 9 6g e gr ü n d e t .

Ocean SensWare AppliedMarine Science and Te c h n o l o g yD i p l . -Oz. Konstanze Reichert

Tel.: 04152 / 8714 58Fax: 04152 / 8714 59e-mail: reichert @ g k s s . d eInternet: http://wave.gkss.de

Umsetzung von Systemlösungen in marktfähige Produkte

WaMoS-Installation auf dem norwegischenÖlförderschiff „Norne“

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GKSS und das Umfeld

Es gehört zu den GKSS-Zielen, durchForschung und Entwicklung Impulsefür Innovationsprozesse zu gebenund so dem Fo rtschritt in der Ge-sellschaft zu dienen. Dies läßt sichnur in engem Zusammenwirken mitder Wi rtschaft erreichen. So erstrek-ken sich die Beziehungen der GKSSzu den industriellen Pa rtnern vomDialog über die thematische Aus-richtung der Fo r s c h u n g s p r o gr a m m ebis zur Unterstützung bei der Markt-einführung von Produkten und Ve r-fahren, die aus gemeinsamen Ko o p e-rationsprojekten hervorgegangen sind.

Hierbei beschränkt sich der GKSS-Dialog mit der Wi rtschaft nicht nurauf die Diskussion der Fo r s c h u n g s-s t r a t e gie im Aufsichtsrat und im tech-nisch-wissenschaftlichen Beirat derGesellschaft. Unternehmensvert r e t e rarbeiten auch in Struktur- und Be-rufungskommissionen mit, die beider Neuorientierung von GKSS-Insti-tuten und im Zusammenhang mitder Neubesetzung von Leitungsposi-tionen regelmäßig eingesetzt werden.Daneben sorgen regelmäßige oderad hoc einberufene fachbez o g e n eGesprächskreise mit der Anwender-seite, wie z.B. der IndustriebeiratMembrantechnik, dafür, daß GKSSnicht am Bedarf der Nutzer vorbeiforscht.

In der projektbezogenen Zusammen-arbeit haben sich für die einzelnenStadien der Entwicklung von denGrundlagen bis zur Markteinführungunterschiedliche Formen der Ko o p e-ration herausgebildet. Generell läßtsich sagen, daß das Engagement derIndustrie in Kooperationen um sogrößer ist, je weiter diese Bez i e h u n g ,ausgehend von der Grundlagenfor-schung, in Richtung prduktbez o g e n e rEntwicklung und Markteinführungp o s i t i o n i e rt ist.

Pa rtner der GKSS in der Grundla-genforschung sind überwiegend Uni-versitäten und andere Fo r s c h u n g s-einrichtungen. Die Mitwirkung derIndustrie bezieht sich hier in der

Hauptsache auf die strategi s c h eAusrichtung der Fo r s c h u n g s z i e l e .Ein Beispiel ist die Strukturaufklärungvon Legierungen mit Hilfe der Klein-winkelstreuung unter anderem mitdem Forschungszentrum Jülich,Universitäten und Max - P l a n c k - I n s t i t u-ten als Nutzern.

Verbundprojekte decken in der Regelnoch den vorwettbewerblichen Be-reich ab und werden im Rahmen na-tionaler oder europäischer Progr a m-me mit Drittmitteln gefördert. DerAnwendungsaspekt gewinnt hierbeizunehmend an Bedeutung. Dies kommt in der Beteiligung von Her-stellern und Anwendern zum Aus-druck. Beispiele: In dem BMBF - P r o j e k t„ B i o l o gische Synthesechemie –Synthese von Polysacchariden aufSaccharosebasis“ sollen Enzyme fürdie Polysaccharidsynthese an Mem-branen gebunden werden. Pa rt n e rdes vom BMBF geförderten Pro-jektes: Fraunhofer-Institut für ange-wandte Po l y m e rforschung, Max -Planck-Institut für molekulare Pf l a n-z e n p h y s i o l o gie, TU Berlin und dieP l a n t Te c B i o t e c h n o l o gie GmbH.

Neue Anwendungsgebiete für dasElektronen- und Laserschweißen wer-den im Rahmen des EU-Projektes„ A S P OW“ erschlossen. Pa rtner (unteranderem): Thyssen Laser-Te c h n i k ,NU T ECH GmbH, QUANTEL S.A.,I n t e rturbine Germany GmbH, BRI-T ISH ST E E L .

Bilaterale Kooperationsprojekte zie-len meist schon auf ein konkretesProdukt des Industriepartners. SolcheProjekte werden auf der Basis durch-g e f ü h rt, daß beide Seiten sich anden Kosten beteiligen und für denE rfolgsfall eine Nutzungsregelungvorgesehen wird. Hier geht es oftum die Umsetzung von Labor-ergebnissen in den Pilot- und De-m o n s t r a t i o n s m a ß s t a b .Beispielsweise wird in Zusammen-arbeit mit dem Ingenieurbüro Ku p c z i k ,Hamburg, ein Ve rfahren zur Behand-lung von Schluffen weiterentwickelt.Organische Bestandteile und Schad-stoffe sollen von wiederverwert b a r e nmineralischen Bestandteilen abge-trennt werden.

Im Erfolgsfall wird die Zusammenar-beit auf der Ebene eines Lizenzver-

Kooperation mit der Wirtschaft


83

Technologiezentrum

Dipl.- Oz. Karsten Bittner und seinTeam bieten Dienstleistungen undProdukte in zwei Geschäftsbereichenan. Das Angebot „Wi s s e n s c h a f t l i c h ePublizistik“ umfaßt die Erstellung vonausgefeilten Jahresberichten, hoch-

w e rtigen Broschüren, ansprechendenKonferenzpostern, Flyern, Overhead-folien, technischen Grafiken, Buch-editionen einschließlich wissenschaft-lichem Formelsatz. Aber auch neueMedien gehören inzwischen zur Pro-duktpalette, mit Datenaufbereitung,Datensicherung, Internetpräsentationmit Datenrecherche, Domain-Anmel-dung, Webseitengestaltung und Ser-verpflege, Multimediapräsentationensowie CD-Produktionen. Der Geschäftsbereich „AngewandteUmweltphysik“ erstellt für Ihre Belan-ge spezifisch angepaßte Datenloggerund Sondensysteme, autarke Meß-stationen und die individuelle Ab-stimmung der zugehörigen Software.Hierbei arbeiten wir sehr eng mit derFirma JeBo-Elektronik zusammen,selbstverständlich alles mit techni-schem, naturwissenschaftlichem undkaufmännischem Sachverstand.Karsten Bittner & Team bieten Ihnen

Fachkompetenzen in Ozeanogr a p h i e ,Technik, Physik, Biologie, Medizin,PR, Grafik, Informatik und Fr e m d-s p r a c h e n .Z i e l gr u p p e n o r i e n t i e rt sind wir Pa rt n e rvon Klein- und mittelständischen Un-ternehmen, insbesondere aus denBereichen Investitionsgüter, Anlagen-technik, Chemie, Biotechnologie undMedizintechnik. Darüber hinaus ge-hören einige Fo r s c h u n g s e i n r i c h t u n-gen, Dienstleister und Museen zuunserem Ku n d e n k r e i s .

D i p l . -Oz. Karsten BittnerAngewandte UmweltphysikWissenschaftliche Publizistik

Tel.: 04152 / 8 4 219 9Fax: 04152 / 8 4 219 8e-mail: [email protected]: http://www-bittner. g k s s . d e

Die Dinge auf den Punkt bringen

JeBo-Elektronik ist seit drei Jahren amMarkt präsent und entwickelte unteranderem in Zusammenarbeit mitdem Institut für Gewässerphysik derGKSS zahlreiche Meßstationen für die Nord- und Ostsee. Diese autarkarbeitenden Stationen liefern Meß-w e rte via Fe r n ü b e rtragung direkt undimmer aktuell: beispielsweise Wi n d-richtung und -geschwindigkeit, Wa s-ser- und Lufttemperatur, Wa s s e r s t r ö-mung, Seegang usw. Die Daten kön-nen auch durch speziell hierfür ent-wickelte Software aktuell auf einerInternet-Seite in tabellarischer odergrafischer Form präsentiert werden.Zur Produktpalette gehören darüberhinaus diverse Sensoren aus eigenerE n t w i c k l u n g .Ein weiterer Schwerpunkt von JeBo-Elektronik sind Geräte zur Pe g e l ü b e r-wachung und -regelung für Abwasser-tanks, Regenwassernutzungs-Anlagen,Tankfahrzeuge, Kellerräume usw. Je

nach zu überwachendem Mediumwerden Ultraschallsensoren, Leit-fähigkeitssensoren oder auch elek-tronische Schwimmerschalter zurE rfassung genutzt. JeBo-Elektronik entwickelt und bautalle Geräte nach ökologischen Ge-

sichtspunkten unter optimaler Aus-nutzung von regenerativen Energi e-quellen wie Strömung, We l l e n b e w e-gung, Sonne und Wi n d .Resultierend aus den immens stei-genden Anforderungen des Marktesund aufgrund der starken Nachfragewuchs der ehemalige Ein-Mann-Be-trieb zu einer leistungsstarken Mann-schaft heran. Weitere Informationenüber Produkte und Projekte finden Sieauf der JeBo-Elektronik-Homepage imI n t e r n e t .

J e B o - E l e k t r o n i kDipl.-Ing. Jens Bockhold

Tel.: 04152 / 872011Fax: 04152 / 872012e-mail: [email protected]: http://jebopc1.tz.gkss.de

Spezialentwicklungen und Fertigung verschiedenster Meßsysteme

Komplett ausgerüsteter Meßpfahl, Daten-loggerschrank. Ta n k ü b e r w a c h u n g s g e r ä t erechts oben.

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trages fortgesetzt, wobei GKSS denI n d u s t r i e p a rtner bis in die Phase derMarkteinführung hinein weiter bera-tend unterstützt. Auf diese We i s ewachsen langjährige stabile Ge-s c h ä f t s b eziehungen, die nicht seltenGrundlage für neue Projekte sind.Das gilt insbesondere dann, wenn esim Rahmen der Lizenzbeziehung zurÜbernahme von Personal aus derForschungseinrichtung in das Unter-nehmen des Industriepartners kommt.Beispiel: Lizenz an Fa. Atomika Instru-ments GmbH, Oberschleißheim, fürAnalysegeräte, die nach dem Prinzipder To t a l r e f l e x i o n s - R ö n t g e n f l u o r e s-zenzspektroskopie arbeiten.

Neben der gemeinsamen Entwick-lung stellen Auftragsbez i e h u n g e neine andere wichtige Form der Zu-sammenarbeit mit der Industrie oderöffentlichen Nutzern dar (Auftrags-projekte sind in der Regel im wett-bewerbsnahen Bereich angesiedelt).Hier geht es darum, ein vom Auf-traggeber vorgegebenes Pf l i c h t e n h e f tzu erfüllen. Hauptcharakteristikumist, daß die Ergebnisse allein demAuftraggeber gehören und er die Lei-stungen voll bezahlt. Soweit die

n a c h g e f r a gten Leistungen auch vonprivaten Unternehmen (z.B. Inge-nieurbüros) angeboten werden, ach-tet GKSS darauf, daß es nicht zu ord-nungspolitisch unerwünschten Ko n-kurrenzsituationen kommt.

Ein Beispiel ist ein Auftrag von Strom-und Hafenbau Hamburg für die Unter-suchung der Sedimentausbreitungbei Wa s s e r i n j e k t i o n s b a g g e r u n g e n .

Der direkteste Weg der Umsetzungvon Forschungsergebnissen in indu-strielle Produkte und Leistungen führtüber Unternehmensgr ü n d u n g e ndurch die Forscher und Entwicklerselbst. Diese Form des Transfers wirddeshalb von GKSS besonders geför-d e rt und unterstützt, insbesonderedurch befristete Nebentätigkeitsge-nehmigungen, zeitlich befristete„ R ü c k f a h r k a rt e n ”, GKSS-Aufträge andie Gründer in der Startphase, Ve r-mietung von Räumen und Geräten.Beispielsweise baut und vert r e i b tD I TT MER oceanographic instrumentsin Kooperation mit Ocean SenseWa r eApplied Marine Science and Te c h n o-l o gy in GKSS-Lizenz ein Gerät zurSeegangsmessung, das auf der Aus-

w e rtung von Radardaten basiert. Eswurden bereits erste Geräte inNorwegen, Spanien und Englandi n s t a l l i e rt .

A n s p r e c h p a r t n e r :

Stabsstelle Te c h n o l o gi e t r a n s f e rVolker DzaakTelefon: 04152 / 87- 16 26


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Technologietransfer: Vermarktung von Forschungsleistungen

Unter dem Schlagw o rt Te c h n o l o gi e-transfer wird bei GKSS nicht alleindie Information über das Te c h n o l o-gieangebot des Zentrums und dieVermittlung von Kontakten zwischenForschern und Unternehmensver-tretern verstanden, sondern die Auf-gabe, die wissenschaftlich-techni-schen Kenntnisse und Erf a h r u n g e nder GKSS durch Aufbau und Pf l e g ekonkreter Geschäftsbeziehungen zuWi rtschaftsunternehmen tatsächlichzu vermarkten. Im weitesten Sinneumfaßt dies die Bereitstellung vonGKSS-Know-How zur industriellenNutzung gegen Entgelt. Ty p i s c h eFormen sind die Auftragsforschung,die Lizenzvergabe und die Beteili-gung an Forschungsprojekten, diesich auf Schlüsseltechnologien bez i e-hen und aus Drittmitteln insbeson-dere der EU finanziert und gefördertwerden (siehe auch „Drittmittelpro-jekte“) sowie bilaterale Ko o p e r a t i o n s-projekte mit der Industrie, die derVerifizierung und Evaluierung vonTe c h n o l o gieansätzen dienen sollen.Die bei GKSS eingerichtete Tr a n s-ferstelle nimmt umfassende Service-Aufgaben wahr, um entsprechendeVermarktungsaktivitäten anzuregen,vorzubereiten und zu koordinieren.Unterstützt werden nicht nur ange-b o t s b ezogene Initiativen aus derGKSS, sondern auch bedarf s b ez o g e-ne Anfragen aus der Industrie.

Die Aktivitäten umfassen ins-b e s o n d e r e :

• die Identifizierung von Ko m p e-tenzfeldern und Experten für in-dustrielle Dienstleistungen unddie Auftragsforschung,

• die Identifikation von vermark-tungsfähigen Entwicklungen,

• die Erfinderberatung und denPa t e n t s c h u t z ,

• die Verbreitung von Ko o p e r a-tions- und Lizenzangebotendurch gezieltes Ansprechenpotentieller Kunden, durch Ve r-

öffentlichungen in Katalogen,Datenbanken, Zeitschriften unddurch Präsentation auf Messenund besonderen Ve r a n s t a l t u n g e n ,

• die Zusammenarbeit mit anderenOrganisationen des In- und Aus-landes in transferbez o g e n e nNetzwerken, insbesondere umderen Mittler- und Multiplikator-Funktion im Bereich der Te c h n o-l o gienachfrage und des Te c h n o l o-gieangebotes zu nutzen,

• die Koordinierung der internenund externen Abstimmungspro-zesse auf technischem und ad-ministrativem Gebiet,

• die Konzeption, Verhandlung undden Abschluß aller Ve rträge undVereinbarungen, die sich aufTransferprojekte bez i e h e n .

Die Forscher und Techniker vonGKSS auf der einen und die Inter-essenten und Kunden aus der Indu-strie auf der anderen Seite habendamit in der Transferstelle einenkompetenten Ansprechpartner füralle Aspekte der Vermarktung von

Forschungsergebnissen, seien sieo r g a n i s a t o r i s c h e r, wirt s c h a f t l i c h e roder rechtlicher Art. Die Tr a n s f e r s t e l-le unterstützt und betreut darüberhinaus Unternehmensgr ü n d u n g e nvon GKSS-Mitarbeiterinnen und -Mitarbeitern in dem von GKSS aufdem Forschungsgelände eingerichte-ten Jungunternehmer-Te c h n o l o gi e-zentrum (JU TZ). Inzwischen habensich sieben Jungunternehmer eta-b l i e rt und leisten durch dieVe r w e rtung des von ihnen übernom-menen GKSS-Know-Hows einenwachsenden Beitrag zumTe c h n o l o gietransfer der GKSS.

Die finanziellen Erträge, die GKSSaus ihren Ve r m a r k t u n g s a k t i v i t ä t e nerzielt, fließen in das Gesamtbudgetder Gesellschaft ein. Ein Teil dieserE rträge wird eingesetzt, um neue,anderweitig nicht oder noch nichtfinanzierbare Transferprojekte zu för-d e r n .


Te c h n o l o gi e t r a n s f e rClaas-Hinrich SchröderTelefon: 04152 / 87- 16 8 5

GKSS und das Umfeld

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D r i t t m i t t e l p r o j e k t e

GKSS hat ihre Bemühungen, Fö r-dermittel für Projekte im Rahmenvon nationalen und europäischenFo r s c h u n g s p r o grammen einzuwer-ben, in den letzten Jahren deutlichi n t e n s i v i e rt. Dabei sind die mit derAkquisition von Drittmittelprojektenb e a b s i c h t i gten Ziele mehrschichtig:

Hauptziel ist die Einwerbung zusätz-licher Budgets, insbesondere umangesichts einer sinkenden Grund-finanzierung das geplante Fu E - P r o-gramm realisieren zu können.Durch die Beteiligung an Drittmittel-projekten erweitert GKSS aber zu-gleich auch die Möglichkeiten zumweiteren Auf- und Ausbau seinerwissenschaftlich-technischen Ko m-petenz. Dies ist eine wichtige Vo r-aussetzung, um auch zukünftig alsI n n o v a t i o n s p a rtner für die Wi rt s c h a f tattraktiv zu sein.

Auch die Tatsache, daß diese Fö r-dermittel im Wettbewerb vergebenwerden, hilft GKSS, sich bei Pa rt-nern zu profilieren und gegenüberinternationalen Wettbewerbern zupositionieren. Da die meisten dieserP r o gramme die Beteiligung von Un-ternehmen (Herstellern bz w. An-wendern) an den entsprechendenProjektvorschlägen voraussetzen,wird jeder positive Bescheid gleich-zeitig zu einem Ko m p e t e n z n a c h-weis gegenüber den jeweiligen In-d u s t r i e p a rtnern von GKSS.

Ein weiteres Ziel der Beteiligung vonGKSS an Drittmittelprojekten ist dieIntensivierung bestehender bz w. derAufbau neuer Ku n d e n b ez i e h u n g e nzu Unternehmen und Institutionen,mit denen zuvor nur eine lose odernoch keine Zusammenarbeit be-stand. So schafft die erf o l gr e i c h eAbwicklung von Drittmittelprojektendas notwendige Ve rtrauen in dieLeistungsfähigkeit von GKSS undbildet die Basis für langfristige bila-terale Ku n d e n b ez i e h u n g e n .

Der Weg, eine Projektidee zu einemeinreichungsfähigen Projektantrag

auszugestalten, ist eine schwierigeund zeitaufwendige Aufgabe. EineFülle von inhaltlichen und formalenAnforderungen ist dabei zu beach-ten. Die Hauptlast bei der Erstellungder Antragsunterlagen tragen dieWi s s e n s c h a f t l e r. Die Aufgabe derVerwaltung ist es, sie hierbei best-möglich zu unterstützen. Zu diesemZweck hat GKSS in der AbteilungTe c h n o l o gietransfer eine Stellegeschaffen, die die Wi s s e n s c h a f t l e rdurch gezielte Informationen überdie Fö r d e r p r o gramme, durch Ko o r d i-nation der internen Abstimmungs-p r ozesse und durch umfassendeBeratung unter Nutzung einesNetzwerkes von Kontakten in allenPhasen der Antragsstellung und derProjektabwicklung unterstützt.

Daß sich die Anstrengungen derGKSS gelohnt haben, läßt sich an derüberdurchschnittlichen Bewilligungs-quote von gestellten EU-Anträgenablesen: Die Rate schwankte in denvergangenen Jahren zwischen 30und 36 Prozent bei einem gesam-teuropäischen Bewilligungs-Durch-schnitt von nur 17,5 Proz e n t .

19 97 wurden im Fo r s c h u n g s z e n-trum 74 geförderte Projekte bear-beitet. Detaillierte Angaben zu denFörderzuschüssen sind in den Ke n n-zahlen dargestellt.


Stabsstelle Te c h n o l o gi e t r a n s f e rFrauke JordtTelefon: 04152 / 87- 16 61


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GKSS und das Umfeld

Ö f f e n t l i c h k e i t s a r b e i t

Wissenschaftliche Ergebnisse sowieneueste Entwicklungen und Hinter-grundinformationen für die Öffentlich-keit transparent zu machen, ist eineder Aufgaben der Presse- und Öffent-lichkeitsarbeit. Von der Bevölkerungwird eine anwendungsorientierte wis-senschaftliche Forschung nur dannverstanden und akzeptiert, wenn sievon einem steten und verständlichenInformationsfluß begleitet wird.Pressemitteilungen, Pressekon-ferenzen, Radio- und Fe r n s e h b e i t r ä g esowie Veranstaltungen für die Be-völkerung werden von GKSS zur In-formation eingesetzt. Ein besondererSchwerpunkt liegt dabei in der regi o-nal bezogenen Arbeit. Informations-veranstaltungen für besondere Ziel-gruppen, „Tage der offenen Tü r “ ,Gruppenbesichtigungen für Schülerund Studenten, Teilnahme an regi o-nalen Ausstellungen und Präsenta-tionen, die GKSS-Jahrestagung, aberauch Kunstausstellungen und Ko n-z e rte sind nur einige Beispiele für

r e gionale Aktivitäten. Der Jahresbe-richt, Broschüren zu einzelnen Fo r-schungsschwerpunkten und Projekt-feldern, Kurzinformationen zu beson-deren Veranstaltungen, Filmmaterial,aber auch Informationen über dieGroßforschung in Deutschland wer-den kostenlos abgegeben.

19 97 machten sich über 2500 Be-sucher mit den Fo r s c h u n g s a r b e i t e nv e rtraut und diskutierten mit denWissenschaftlern und Te c h n i k e r n .Jugendliche der Stiftung „Jugendforscht“ nutzten die GKSS-Einrich-tungen, Leistungskurse der benach-b a rten Schulen führten Projekttagedurch, und Studenten informiert e nsich über Berufsbilder und -chancen.Innovativ-kreative Fo r s c h u n g s a r b e i tentwickelt sich besonders dann,wenn diese mit einem „w i r “ -G e f ü h lund der Identifikation mit der tägli-chen Arbeit im Einklag steht: „corpo-rate identity“. Die innerbetrieblicheKommunikation hat in den letzten

Jahren eine zunehmende Bedeutungerhalten, quasi eine Öffentlichkeitsar-beit für die Mitarbeiter. Das Mitarbei-termagazin „UNTER UNS“, aktuelleInformationen über schwarze Bretter,electronic mailing über Netzwerk,besondere Veranstaltungen, Einwei-hungen und Ehrungen: Die Pa l e t t eder Mitarbeiterinformationen ist breitg e f ä c h e rt .Die Zukunft von GKSS sowie die Ak-zeptanz der Arbeiten und Ergebnissein der Bevölkerung stehen in engemZusammenhang mit unserer Dialog-bereitschaft. Wir arbeiten daher aktivan der Kommunikation mit unseremUmfeld und freuen uns über dasInteresse an unserer Arbeit: Wir infor-mieren gern.


Presse- und ÖffentlichkeitsarbeitD i p l . - B e t r i e b s w i rtH a n s - Friedrich ChristiansenTelefon: 04152 / 87- 1677

Internationale BeziehungenMit Wirkung vom 1. Januar 19 97 hatdie Stabsstelle Internationale Bez i e-hungen (IB) eines ihrer Hauptauf-gabengebiete auf das neu eingerich-tete Internationale Büro des BMBFbei der DLR übertragen; diesemo b l i e gt nunmehr die allgemeineBetreuung internationaler Ko o p e r a-tionsvorhaben im Rahmen vonR e gierungsabkommen, die Deutsch-land mit ausgewählten Pa rt n e r l ä n-dern geschlossen hat. In Fo rt f ü h r u n gder früheren Aufgabe betreut dieStabsstelle nunmehr solche bilatera-len Projekte, bei denen GKSS derf e d e rführende Pa rtner auf deutscherSeite ist. Dabei handelt es sich umProjekte mit Brasilien, Irland undKanada. Weitere ähnlich organisiert eProjekte mit Tschechien, Griechen-land, Indien und Slovenien werdenab 1998 übernommen.

Die freigewordene Arbeitskapazitätund – soweit zutreffend – die Er-fahrungen mit den Pa rt n e r l ä n d e r nwerden in steigendem Maße genutzt,weitere Kontakte zur Entwicklungneuer internationaler Ko o p e r a t i o n s-projekte der GKSS aufzubauen undbei der Abwicklung laufender Pro-jekte zu helfen, um auf diese We i s edie Wissenschaftler von administrati-ven organisatorischen Aufgaben frei-z u h a l t e n .

Zusätzlich zu den von GKSS und aus-ländischen Pa rtnern durchgeführt e nProjekten koordiniert die Stabsstellezwei große Verbundvorhaben mitIsrael (Bioindikatoren in Kü s t e n g e-wässern) und mit Brasilien (Tr o p e n-ö k o l o gie). Beide Vorhaben werdenjeweils von einer größeren Anzahldeutscher und ausländischer Institu-tionen durchgeführt. Internationale

Workshops, Statusseminare und Ko-ordinationssitzungen gehören zumInstrumentarium der multidisziplinära n g e l e gten Ko o p e r a t i o n s p r o gr a m m e .


Stabsstelle Internationale Bez i e h u n g e nDipl.-Ing. Helmut BianchiTelefon: 04152 / 87- 1675

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Die Kooperation mit Hochschulen istfür ein Forschungszentrum der Helm-h o l t z -Gemeinschaft von fundamenta-ler Bedeutung. Hochschulen stellennicht nur das Potential der Nach-w u c h s w i s s e n s c h a f t l e r, sie sind glei-chermaßen Pa rtner in gemeinsamenProjekten und liefern einen wichtigenBeitrag im Rahmen einer interdiszi-plinären Zusammenarbeit. Sonder-forschungsbereiche der DeutschenForschungsgemeinschaft (DFG) wur-

den in der GKSS-Werkstoff- und -Um-weltforschung sowie im Bereich derSanierungstechnik in enger Ko o p e r a-

tion mit den Hochschulen initiiert. ZurErgänzung der bei ihr durchgeführt e nArbeiten verwendet GKSS einen Te i lihrer Forschungsmittel zur direktenFinanzierung von Fo r s c h u n g s p r o-jekten, die durch die Hochschulengetragen werden. Zahlreiche Zusam-m e n a r b e i t s v e rträge wurden mit ver-schiedenen norddeutschen Hoch-schulen geschlossen und sichernl a n gfristig die Interessen an gemein-samen Fo r s c h u n g s v o r h a b e n .

S p ezifisch ist auch das Zusammen-wirken im personellen Bereich. Ge-meinsame Berufungsverfahren zurBesetzung der wissenschaftlichenLeitungspositionen in den Institutenfördern die wissenschaftliche Zu-sammenarbeit und sichern die fachli-che Qualität. So ist kürzlich die Neu-besetzung der Leitungsfunktion imInstitut für Werkstofforschung imgemeinsamen Ve rfahren mit einerTechnischen Universität durchgeführtworden. Mehrere GKSS-Mitarbeiterhaben 19 97 Rufe an Universitätenund Fachhochschulen erhalten. GKSSf ö r d e rt die wissenschaftliche Quali-fikation seiner Mitarbeiter insbeson-dere dadurch, daß Freiräume zurHabilitation eingeräumt werden. Dieskann nur in sehr enger und vert r a u-

ensvoller Kooperation mit den betei-l i gten Hochschulen gelingen.

Gemeinsame fachbezogene Semina-re, Vo rträge und Tagungen tragenwesentlich zum Austausch von Fo r-schungsergebnissen zwischen Hoch-schulen und GKSS bei. Regelmäßigwerden die GKSS-Fo r s c h u n g s s c h w e r-punkte im Rahmen der Erf o l g s k o n-trolle von externen Gutachtergr e m i e n ,zu denen auch Wissenschaftler ausden Hochschulen gehören, unter-sucht und beurteilt. Im Frühjahr 19 9 8wurde der Fo r s c h u n g s s c h w e r p u n k tMaterialforschung begutachtet.

GKSS leistet einen Beitrag zur Aus-bildung von Studenten. Wi s s e n s c h a f t-ler halten in den verschiedenen Uni-versitäten der Region Grund- undS p ezialvorlesungen, bieten Praktika anund beteiligen sich an der Gestaltungneuer Studiengänge. Diplomandenund Doktoranden erarbeiten an denGKSS-Instituten ihre Diplomarbeitenund Dissert a t i o n e n .


Planungs- und Ko o r d i n i e r u n g s s t a bD r. Joachim Krohn Telefon: 04152 / 87- 16 6 5

H o c h s c h u l z u s a m m e n a r b e i t

Wie andere Fo r s c h u n g s e i n r i c h t u n g e nhat auch GKSS ein originäres Inter-esse, ausgewählte Ergebnisse derwissenschaftlich-technischen Arbeitenzu veröffentlichen. Als Fo r s c h u n g s-zentrum der HGF, das von Bund undLändern getragen wird, besteht über-dies dazu eine Verpflichtung. DiesenAuftrag erfüllt GKSS zielgerichtet aufunterschiedlichen Wegen, um so-wohl das wissenschaftliche Umfeldals auch die interessierte Öffentlich-keit zu informieren.

Neben Publikationen in wissen-schaftlichen Zeitschriften, Ta g u n g s-

berichten, Büchern und in Form vonPatenten gelangen solche in popu-lärwissenschaftliche Zeitschriften undwissenschaftlich-technische Berichte,die im Hause erstellt werden.

Eine zusammenfassende Übersichtdieser Veröffentlichungsreihe ist je-weils am Jahresbeginn erhältlich undwird, wie die Berichte selbst, kosten-los abgegeben. Eine hausinternePublikationsdatenbank weist die biblio-graphischen Daten der Ve r ö f f e n t-lichungen der GKSS-Mitarbeiterinnenund -Mitarbeiter seit 1988 nach.


Zusendung technisch-wissenschaft-licher Berichte – BibliothekB r i gitte EisenschmidtTelefon: 04152 / 87- 16 91

Wissenschaftliche Ve r ö f f e n t l i c h u n g e n
