Eine außergewöhnliche Allianz

Am Zentrum für Innovationskompetenz „innoFSPEC Potsdam“ entwickeln Chemiker und Astrophysiker innovative faseroptische Lösungen

„Von den Molekülen zu den Galaxien“ soll die Forschung am Zentrum für Innovationskompetenz „innoFSPEC“ reichen. Und das ist keine Übertreibung. Wissenschaftler des Lehrstuhls für Physikalische Chemie an der Universität Potsdam (UPPC) und des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) haben sich zusammengetan, um gemeinsam die Faseroptik zu erforschen. „Wir verwenden dieselben Technologien – da können wir doch auch voneinander lernen“, erklärt der Chemiker Dr. Oliver Reich, der bei „innoFSPEC“ arbeitet. Diese Abkürzung steht für „innovative faseroptische Spektroskopie und Sensorik“.

Chemiker nutzen faseroptische Sensoren zum Beispiel, um stark lichtstreuende Materialien bis auf das kleinste Partikelchen zu analysieren. Im Zusammenspiel von Glasfaser und Spektrometer werden die Konzentrationen der unterschiedlichen Stoffe in Gemischen sowie die Größe der Partikel bis in den Nanometer-Bereich hinein identifiziert. Anwendungen wie diese sind für die chemische, die pharmazeutische und auch die Lebensmittelindustrie sehr attraktiv. Noch während des Herstellungsprozesses kann die Qualität eines Stoffgemisches bestimmt und bei Bedarf korrigiert werden.
Die Astrophysiker dagegen brauchen die Faseroptik, „um ganz, ganz schwaches Licht zu detektieren. Da kommt es auf jedes Photon an“, sagt Dr. Reich. Moderne Teleskope seien „ultrakomplexe Anlagen“, zu denen ganze Batterien von faseroptischen Spektrographen gehören.  „Das ist ein Bereich, der sich rasant entwickelt“, schwärmt Dr. Reich. Dazu einen wissenschaftlichen Zugang zu bekommen, sei sehr spannend.

Im Jahr 2008 ging „innoFSPEC“ an den Start – mit einer Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), das Land Brandenburg und die Europäische Union. Bis heute stand ein Etat von insgesamt etwas mehr als 25 Millionen Euro zur Verfügung, sagt Dr. Reich. Als Leiter der Forschergruppe „Innovative Fasersensorik“ an der Universität Potsdam gehört er zur Leitung des Zentrums. Die Initiatoren von „innoFSPEC“ sind Prof. Dr. Martin Matthias Roth vom Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam und Prof. Dr. Hans-Gerd Löhmannsröben, Physikochemiker an der Universität der Landeshauptstadt. 2015 wurde „innoFSPEC“ vom BMBF für weitere fünf Jahre eine umfangreiche Förderung zugesagt. Dafür musste am Forschungszentrum eine ausführliche Strategie für die nächsten Jahre entwickelt werden, die dann von einer hochkarätig besetzten Jury positiv bewertet wurde. Im Rahmen dieser Forschungsstrategie werden in den nächsten Monaten zwei neue Forschergruppen mit der Bezeichung „Astrophotonik“ und „Angewandte Analytische Photonik“ an den „innoFSPEC“-Standorten Babelsberg und Golm ihre Arbeit aufnehmen. Der designierte Gruppenleiter am AIP, Dr. Stefano Minardi, freut sich: „Mit der Weiterentwicklung von Fasertechnologie hin zu komplexen Wellenleitern und integrierter Optik zur Lösung von spannenden Herausforderungen in der Astrophotonik haben wir mit innoFSPEC in Deutschland die Nase vorn!“ Das Zentrum wird sich aber in Zukunft auch intensiv der angewandten Forschung zuwenden: „Bisher ging es bei innoFSPEC sehr stark um Grundlagenforschung“, erklärt Dr. Roland Hass vom Lehrstuhl Physikalische Chemie.

Jetzt sei es erklärtes Ziel, in den gewonnenen Erkenntnissen praktisches Anwendungspotenzial auszumachen und in Kooperationen mit Unternehmen umzusetzen. Dr. Hass, der in der neuen Förderperiode als Nachwuchsgruppenleiter in die Zentrumsleitung aufgerückt ist, will „in Zusammenarbeit mit regionalen mittelständischen Unternehmen Wachstumsmärkte für die Photonik identifizieren“. Dabei gehe es darum, gemeinsame Projekte für Forschung und Entwicklung anzugehen. Ziel sei es aber ebenso, dass Wissenschaftler über Ausgründungen ihre Forschungsergebnisse in die kommerzielle Nutzung bringen. Und auch kurzfristige Forschungsaufträge von der regionalen Wirtschaft seien denkbar.
Die Einsatzgebiete für innovative Lösungen der faseroptischen Spektroskopie und Sensorik sind vielfältig. So entwickelt das Forschungszentrum „innoFSPEC“ im Zusammenspiel mit Partnern wie der Berliner Charité ein Verfahren, um Hautkrebserkrankungen zu detektieren. Das soll mithilfe der bildgebenden Multiplex-Ramanspektroskopie gelingen. Diese ermöglicht dem Arzt mit einem für den Patienten schonenden optischen Verfahren, gesundes Gewebe von erkrankten Hautbereichen zu unterscheiden, um so zukünftig auf Biopsien und Mehrfacheingriffe verzichten zu können. Im Rahmen der vom BMBF mit 45 Millionen Euro geförderten Forschungsallianz 3Dsensation, in der mehr als 80 Forschungsinstitute und Industriefirmen zusammenarbeiten, soll dieses Verfahren auch für andere Anwendungen weiterentwickelt werden, zum Beispiel zur Erkennung von Blasenkarzinomen durch neu zu entwickelnde Fasersonden für die Endoskopie mit Multiplex-Ramanspektroskopie.

Die beiden Chemiker Dr. Oliver Reich und Dr. Roland Hass liefern selbst ein gutes Beispiel dafür, wie Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung kommerziell genutzt werden können. Ihr Spezialgebiet ist die Photonendichtewellen (PDW) Spektroskopie. Die Faseroptik wird hier genutzt, um sondenbasiert die Lichtabsorption und die Lichtstreuung von Materialien zu analysieren und somit Rückschlüsse auf die Zusammensetzung von Stoffgemischen zu ziehen. Die Wissenschaftler haben parallel zur akademischen Laufbahn den Schritt in die Selbstständigkeit gewagt und die PDW Analytics GmbH gegründet. Über die Firma soll die Industrie auf die Möglichkeiten des PDW-Verfahrens aufmerksam gemacht werden. Der besondere Reiz dabei ist der Einsatz in der Prozessanalytik. Die Untersuchungen können zum Beispiel direkt in einem Bioreaktor bei laufender Produktion vorgenommen werden. „Vermutlich sind wir weltweit die Einzigen, die PDW für die Prozessanalytik verwenden“, betont Dr. Hass.

Portrait von Dr. Ute Sommer

Kontakt:

innoFSPEC Potsdam    
Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP)
An der Sternwarte 16
14482 Potsdam

Telefon:    +49 (0) 331 74 99 655

innoFSPEC Potsdam
Universität Potsdam – Physikalische Chemie
Am Mühlenberg 3
14476 Potsdam-Golm

Telefon:    +49 (0) 331 977 5222

E-Mail:    info@innofspec.de
Internet:    www.innofspec.de

Kurzprofil „innoFSPEC“:

Das Zentrum für Innovationskompetenz „innoFSPEC“ wurde 2008 in Potsdam gegründet. Es ist ein Gemeinschaftsvorhaben des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) und des Lehrstuhls für Physikalische Chemie an der Universität Potsdam. Dabei steht „innoFSPEC“ für „innovative faseroptische Spektroskopie und Sensorik“. An diesem Potsdamer Forschungszentrum entwickeln die Chemiker und Astrophysiker neue Lösungen im Bereich der bildgebenden Vielkanalspektroskopie, der faseroptischen chemischen Sensorik und der multidimensionalen Datenverarbeitung. An der Einrichtung sind knapp 30 Forscher tätig. Ihre Arbeit ermöglicht die präzise Analytik von Gasen, Emulsionen oder auch Suspensionen. Sie entwickeln medizinische Anwendungen und astrophotonische Komponenten wie komplexe Faser-Bragg-Gitter, optische Frequenzkämme und miniaturisierte „on-the-chip“- Spektrographen. Mit seinem Know-how und hervorragend ausgestatteten Laboren sucht „innoFSPEC“ die Kooperation mit wissenschaftlichen und industriellen Partnern.