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Kurznachrichten Januar 2018

Supercomputer beleuchten Entstehung von Alzheimer-Ablagerungen

Ablagerungen aus bestimmten Eiweißbausteinen – Amyloid-beta (Aβ) – gelten als typisches Zeichen der Alzheimer-Krankheit. Wie diese Amyloid-Plaques genau entstehen, ist immer noch ungeklärt. Mittels Computersimulationen konnten Jülicher Forscherinnen und Forscher nun zeigen, dass Form und Verteilung der Zwischenprodukte im Entstehungsprozess, der sogenannten Oligomere, beim "Verklumpen" der Eiweiße eine wichtige Rolle spielen.

Ursächlich für die Alzheimer-Krankheit sind vermutlich weniger die mikroskopisch gut sichtbaren Ablagerungen selbst als vielmehr schon deren Vorläuferaggregate, die Oligomere. Das sind Eiweißverbindungen, die sich aus mehreren Eiweißbruchstücken – in diesem Fall: Aβ-Peptide – zusammensetzen. Diese können die Zellmembran zerstören oder Zellen über die Aktivierung von Rezeptoren vergiften und führen so womöglich den Tod von Nervenzellen herbei.

Mithilfe von atomgenauen Simulationen der Molekulardynamik auf dem Jülicher Superrechner JURECA konnten Forscher des Institute of Complex Systems die Oligomere bestimmen, die für die Ausbildung der alzheimertypischen Fibrillen entscheidend sind. Die treibenden Kräfte sind demnach längliche oder ausgedehnte Oligomere. Diese neigen stark dazu, Verbindungen mit anderen Oligomeren einzugehen und sind aus diesem Grund sehr kurzlebig. Experimentell lassen sich gewöhnlich daher nur die kompakten, "verknäulten" Formen von Oligomeren beobachten, die in einem viel schwächeren Maße am Aggregationsprozess beteiligt und damit stabiler sind.

Die Ergebnisse liefern zudem eine Erklärung, warum eine der beiden Aß-Varianten deutlich schädlicher ist als die andere. Die relevanten Eiweißfragmente bestehen hauptsächlich aus 40 oder 42 Aminosäuren, wobei die längere Variante als deutlich toxischer gilt. In den Simulationen zeigte sich, dass sich das langkettige Aβ42 eher zu stabilen Oligomeren aus drei oder vier Eiweißbruchstücken zusammenschließt als das etwas kürzere Aβ40. Die gebildeten Aβ42-Oligomere weisen außerdem eine stärkere hydrophobe – also wasserabweisende – Oberfläche auf. Diese Eigenschaft konnte in vorangegangen Experimenten direkt mit einer zellschädigenden Wirkung in Zusammenhang gebracht werden.

Originalpublikation:
Bogdan Barz, Qinghua Liao, and Birgit Strodel: Pathways of Amyloid-β Aggregation Depend on Oligomer Shape. Journal of the American Chemical Society 2018 140 (1), 319-327,
DOI: 10.1021/jacs.7b10343, http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.7b10343

Institute of Complex Systems, Bereich Strukturbiochemie (ICS-6)

Drängel-Experiment an der Uni Wuppertal

In einer Menschentraube am Eingang eines Konzerts oder einer Sportveranstaltung kann es schnell eng werden. Experten des Forschungszentrums Jülich, der Bergischen Universität Wuppertal und der Ruhr-Universität Bochum haben die Situation in Experimenten mit Wuppertaler Studierenden nachgestellt. Ihre Frage: Wie entsteht das teils gefährliche Gedränge – und mit welchen Mitteln lässt es sich vermeiden? Frühere Experimente hatten gezeigt, dass sich das dichte Getümmel durch Absperrgitter entzerren lässt. Mit den neuen Experimenten haben die Forscher nun weitere Faktoren untersucht, die das Drängeln beeinflussen.

Dazu präparierten Prof. Armin Seyfried vom Jülich Supercomputing Centre (JSC) und sein Team das Foyer im Hörsaalzentrum der Bergischen Universität Wuppertal mit Absperrgittern und rekrutierten Studierende als Probanden. Diese stürzten sich ins Gedränge und strebten mal forscher, mal entspannter dem vorgegebenen Eingang zu.

Das Experiment wurde ca. fünf Mal pro Tag durchgeführt. Beteiligt haben sich insgesamt rund 500 Studierende, pro Durchgang waren zwischen 15 und 70 Personen dabei. Vorstudien haben bereits gezeigt, dass es einen deutlichen Unterschied macht, ob Menschenmengen halbkreisförmig angeordnet sind oder sich in einer Warteschlange vor dem Einlass formierten. Bei der ersten Variante entsteht das Gedränge praktisch sofort, während es in einer Warteschlange wesentlich ruhiger zugeht. Die Auswertung des Drängel-Experimentes erfolgt während der kommenden Monate. Mit konkreten Ergebnissen rechnen Seyfried und sein Team im Sommer.

Pressemitteilung vom 30. Juni 2017: "Psychologischer Effekt gegen das Gedränge"

Jülich Supercomputing Centre (JSC), Forschungsbereich Civil Security and Traffic

Elektrochemie live untersuchen

Forscher aus dem Jülicher Peter Grünberg Institut, den USA und Tschechien haben eine Versuchsanordnung entwickelt, mit der sich elektrochemische Vorgänge an Grenzflächen zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten "live" und mit unerreichter Genauigkeit beobachten lassen. Damit lassen sich zahlreiche wissenschaftliche Fragestellungen genauer untersuchen als bisher, zum Beispiel warum Lithium-Ionen-Akkus altern oder welche Katalysatormaterialien sich für eine besonders effiziente Umwandlung von Speichermaterialien für die Energiewende eignen. Die neue Plattform besitzt eine räumliche Auflösung von wenigen Nanometern, eine zeitliche von Sekundenbruchteilen und ist element- sowie oxidationsstufenspezifisch, kann also beispielsweise Kupferatome von Kupferionen unterscheiden.

Die Versuchsanordnung der Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich, dem National Institute of Standards and Technology (NIST), USA, der Karls-Universität in Prag sowie der University of Maryland und dem Oak Ridge National Laboratory (ORNL), beide USA, beruht auf der etablierten Technik der Photoemissionselektronenmikroskopie. Eigentlich eignet sich dieses leistungsstarke bildgebende Verfahren nicht zur Untersuchung von Flüssigkeiten, denn die zu untersuchenden Proben müssen in ein starkes Vakuum verbracht werden.

Aber mit einem einfachen Trick lässt sich die Lösung in den Proben vor dem Vakuum schützen. Der Elektrolyt befindet sich in Tausenden von winzigen Kanälen auf einer Glasplatte von einem halben Millimeter Dicke. Die Platte deckten die Forscher mit einer Schicht Graphen ab, die sich wie eine Klarsichtfolie über die Öffnungen der Kanäle spannt. Dies verhindert nicht nur ein Verdampfen der Flüssigkeit; die dünne Schicht ist außerdem für ein Photoemissionselektronenmikroskop durchsichtig. Zudem leitet Graphen elektrischen Strom und fungiert bei den Experimenten als Elektrode. Die unteren Enden der Kanäle beschichteten die Forscher mit einem nanometerdünnen Platinfilm und verschlossen sie mit einem Dichtungsmaterial. So schufen sie Tausende von funktionsfähigen elektrochemischen Zellen im Zwergenformat.

Das Prinzip lässt sich für verschiedenste Untersuchungen an flüssig-fest-gasförmigen Zwischenschichten nutzen. Damit eignet sich die Methode für Fragestellungen u.a. aus den Bereichen Energieforschung, Katalyse, Magnetismus und Biomedizin.

Originalveröffentlichung:
Slavomir Nemšák, Evgheni Strelcov, Tomáš Duchoň, Hongxuan Guo, Johanna Hackl, Alexander Yulaev, Ivan Vlassiouk, David N. Mueller, Claus M. Schneider, and Andrei Kolmakov: Interfacial Electrochemistry in Liquids Probed with Photoemission Electron Microscopy. J. Am. Chem. Soc., 2017, 139 (50), pp 18138–18141; DOI: 10.1021/jacs.7b07365

Peter Grünberg Institut, Bereich Elektronische Eigenschaften (PGI-6)

Fokus auf Smart Energy

Welchen Beitrag kann die Digitalisierung leisten, um die Ziele der Energiewende zu erreichen? Dieser Frage gehen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich im Rahmen des frisch gegründeten „Virtuellen Institut Smart Energy“ (VISE) nach, das als zentrale Forschungsplattform unter Federführung der TH Köln und der Universität Münster durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE.NRW) gefördert wird. Experten des Jülicher Instituts für Energie- und Klimaforschung (IEK-STE) koordinieren die Erforschung smarter Technologien im Haushalt wie etwa Smart Metering, Smart Home, Apps und Energiespeicher.

Die Jülicher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen gemeinsam mit der Universität Münster, der ewi Energy Research & Scenarios gGmbH sowie dem Wuppertal Institut mit LivingLab-Experimenten und Befragungen, welche Möglichkeiten, Herausforderungen und Anreize für den Einsatz dieser smarten Technologien für unterschiedliche Nutzergruppen bestehen. Von Interesse ist dabei auch die Frage, wie sich das Bestreben nach einer autarken Energieversorgung auf die Energieeffizienz auswirkt.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt in der Entwicklung neuer Konzepte für virtuelle Kraftwerke. Virtuelle Kraftwerke sind keine Kraftwerke im eigentlichen Sinne. Sie bündeln den Strom vieler kleiner dezentraler Stromerzeuger, zum Beispiel von Windkraft- und Photovoltaikanlagen, machen ihn mithilfe von Speichern und steuerbaren Verbrauchern regelbar und ermöglichen so eine Vermarktung an der Strombörse. Gemeinsam mit der TH Köln, der ewi Energy Research & Scenarios gGmbH und dem Wuppertal Institut erarbeiten die Forscher ein neues computergestütztes Verfahren, mit dem sich unterschiedliche Geschäftsmodelle für virtuelle Kraftwerke bewerten und optimieren lassen. Hierbei spielen insbesondere neue digitale Konzepte wie Nachbarschaftskraftwerke und Community-Strom-Konzepte eine Rolle. Dabei wird der Strom und die Speicherkapazität von digital vernetzten Anlagen direkt „peer-to-peer“ vermarktet, was ebenfalls dazu beitragen kann, das Stromnetz zu entlasten.

Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE)

Virtuelles Institut Smart Energy (VISE)

Sonne und Wind flexibel ins Stromnetz integrieren

Das deutsche Energiesystem durchläuft einen schnellen und drastischen Übergang zu erneuerbaren Energien. Das bringt Herausforderungen mit sich: Windkraft und Sonnenenergie sind wetterbedingt zeitlichen Fluktuationen unterworfen. Diese müssen jedoch flexibel in das Stromnetz integriert werden, damit die Stromversorgung dauerhaft störungsfrei und effizient ist. In einer neuen Studie untersuchten Jülicher Wissenschaftler, wie sich natürliche Schwankungen des Windaufkommens auf die Kosten der Netzintegration auswirken.

In Deutschland wird regenerativ erzeugten Energien Vorrang bei der Netzeinspeisung eingeräumt. Um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, müssen oft große Strommengen im ganzen Land übertragen werden – eine Aufgabe, die das Stromnetz derzeit noch nicht immer zufriedenstellend erfüllen kann: Werden besonders große oder besonders geringe Mengen an erneuerbaren Energien erzeugt, kann es zu Engpässen oder Überlastungen kommen, die durch konventionelle Kraftwerke ausgeglichen werden müssen.
Trotz dieser Herausforderungen ist die Versorgungssicherheit des deutschen Stromnetzes konstant hoch – doch sie hat ihren Preis. So erreichten 2015 die Kosten für das Netzmanagement ein Allzeithoch von rund einer Milliarde Euro. Doch obwohl im Folgejahr der Anteil an erneuerbaren Energien weiter stieg, fielen die Kosten für das Netzmanagement deutlich.

Wissenschaftler des Jülicher Instituts für Energie und Klimaforschung untersuchten daher den Einfluss natürlicher Klimaschwankungen auf die Kosten des Netzmanagements – und konnten zeigen, dass der Rückgang 2016 auf natürliche Schwankungen im Windaufkommen zurückzuführen ist: Die Durchschnittswerte der Windenergie-Erzeugung waren aufgrund der Wetterlage 2016 deutlich geringer als im Jahr davor. Schwankungen in den Kosten des Netzmanagements aufgrund des natürlichen Windaufkommens, so die Autoren der Studie, können daher mehrere hundert Millionen Euro pro Jahr betragen und müssen als ein natürliches Merkmal des Systems verstanden werden.

Originalpublikation:
Wohland J., Reyers M, Märker C., Witthaut D. (2018): Natural wind variability triggered drop in German redispatch volume and costs from 2015 to 2016.
PLoS ONE 13(1): e0190707. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0190707

Institut für Energie- und Klimaforschung, Bereich Systemforschung und Technologische Entwicklung (IEK-STE)

Aktuelle Termine:

Auf Seite http://www.fz-juelich.de/termine finden Sie aktuelle Konferenzen und Veranstaltungen im und mit dem Forschungs­zentrum Jülich, unter anderem:

Regionalwettbewerb Jugend forscht 2018

7. Februar 2018, Foyer und Großer Hörsaal des Forschungszentrums Jülich
Jugend forscht ist Deutschlands bekanntester Nachwuchswettbewerb. Auch 2018 ist das Forschungszentrum Jülich wieder als Ausrichter des Wettbewerbs für die Region Aachen und Umgebung dabei. Am Mittwoch, 7. Februar 2018, kann die Öffentlichkeit ab 14.30 Uhr die Wettbewerbsarbeiten besichtigen.

Mehr Informationen zu Jugend forscht

Vortrag: "Das Sehen und die Grenzen unserer Wahrnehmung"

1. März, 19 Uhr, Science College Overbach
"Das Sehen und die Grenzen unserer Wahrnehmung" ist der Titel des Vortrags von Prof. Frank Müller am 1. März im Science College Overbach. Darin unternimmt der Biologe vom Jülicher Institute of Complex Systems, Bereich Zelluläre Biophysik, eine Reise durch unser Sehsystem. Darin unternimmt der Biologe vom Jülicher Institute of Complex Systems, Bereich Zelluläre Biophysik, eine Reise durch unser Sehsystem. Er zeigt nicht nur den komplexen Analyse- und Konstruktionsprozess unseres Gehirns beim Sehen, sondern auch, wie die Grenzen unserer Wahrnehmung durch die Regeln der Physik und Biologie festgelegt werden – und wie unser Gehirn sie manchmal einfach beherzt überschreitet.

Der Vortrag wird vom Verein der Freunde und Förderer des Forschungszentrums e.V. und dem Science College Overbach organisiert. Der Eintritt ist frei, eine Anmeldung nicht erforderlich.

Weitere Informationen

Pressekontakt:

Erhard Zeiss, Tel. 02461 61-1841, e.zeiss@fz-juelich.de