Mikrosystemtechnik

Die Mikrosystemtechnik ist ein Gebiet der Technik, das sich mit Entwurf, Simulation, Entwicklung, Fertigung und Test miniaturisierter technischer Baugruppen beschäftigt. Ein Mikrosystem verbindet mindestens zwei Funktionalitäten aus Mikroelektronik, Mikromechanik, Mikrooptik oder Mikrotechnik. Aufgabe der Mikrosystemtechnik ist es, die Wechselwirkung dieser Funktionselemente aufeinander abzustimmen und sie zu einem funktionsfähigen Gesamtsystem zu integrieren. Eine zentrale Rolle spielen deshalb rechnergestützte Entwurfsmethoden (CAD, Schichttechniken), Strukturierungstechniken sowie Methoden der Signalverarbeitung. ‒ Ein komplettes Mikrosystem (im weiteren Sinn) besteht aus einer Sensoreinheit, die eine bestimmte physikalische oder chemische Größe aufnimmt, einer Elektronik, die die Sensorsignale verarbeitet, einem Stellglied (Aktor), das zu einer Reaktion befähigt ist, aus Leitungen, die die genannten Einheiten miteinander verbinden, sowie aus einer Schnittstelle zur Außenwelt.

Vorteile:

Die Vorteile der Mikrosystemtechnik bestehen v. a. in der Miniaturisierung unterschiedlicher Funktionseinheiten und deren Integration zu einem kompletten technischen System. Durch die Miniaturisierung werden bestimmte Effekte erst zugänglich gemacht und neuartige Anwendungen ermöglicht. Die Materialersparnis bei Mikrosystemen, verbunden mit Volumen- und Masseeinsparungen sowie geringerer thermischer Trägheit und verringertem Energieverbrauch, erlaubt den Einsatz auch kostspieliger Werkstoffe, führt zur Realisierung mobiler Systeme und macht kostengünstige Massenfertigungsverfahren nutzbar. Die Reduktion von Leitungsbahnen, Messvolumina und Toträumen, eine Minimierung der Zahl von Verbindungsstellen und -gliedern sowie die Redundanz gewisser Bauteile erhöhen die Zuverlässigkeit und die Reaktionsgeschwindigkeit des Systems.

Anwendungen:

Anwendungen von Mikrosystemen finden sich in nahezu allen technischen Bereichen, z. B. als Düsen für Tintenstrahldrucker, Mikroventile und -schalter oder Strahlungssensoren. Temperatur-, Druck- und Kraftsensoren werden z. B. in der Verfahrenstechnik zur Anlagenüberwachung und im Automobilbau (z. B. Beschleunigungssensoren als Auslöser für Airbags) eingesetzt; in der Medizintechnik finden u. a. miniaturisierte Aktoren Verwendung (z. B. implantierbare Mikropumpen zur Medikamentendosierung). Die Informationstechnik nutzt verschiedenste Strukturen und Systeme für optoelektronische und faseroptische Baugruppen. Angesichts der breiten Einsatzmöglichkeiten gilt die Mikrosystemtechnik als eine der zukunftsträchtigsten Schlüsseltechnologien.

Reproduktionsmedizin

Die Reproduktionsmedizin oder Fortpflanzungsmedizin ist ein Spezialgebiet der Medizin, das sich der menschlichen Fortpflanzung und Behandlung des unerfüllten Kinderwunsches unter Berücksichtigung gynäkologischer, urologischer, genetischer, biologischer, juristischer und ethischer Aspekte widmet. Verfahren der Reproduktionsmedizin zur Erfüllung des Kinderwunsches sind entsprechend der zugrunde liegenden Störung die kontrollierte Eierstockstimulation durch Hormongaben, die Spermienaufbereitung zur Anreicherung normal geformter, gut beweglicher Spermien mit anschließender Übertragung in den Gebärmutterhals oder die Gebärmutter, die In-vitro-Fertilisation und die intrazytoplasmatische Spermieninjektion (ICSI). Hierbei zunächst überzählige Embryonen werden in Deutschland im 2-PN-Stadium (Vorkernstadium) für eine spätere Implantation eingefroren (Kryokonservierung). Die Erfolgsraten reproduktionsmedizinischer Techniken sind u. a. abhängig vom Alter der Frauen, den verschiedenen Methoden und den durchführenden Institutionen; sie liegen zwischen 5 und 50 %. Risiken der künstlichen Befruchtung bestehen in einer erhöhten Rate an Mehrlingsschwangerschaften mit einer höheren Belastung der Schwangeren und häufigeren Frühgeburten; auch das Risiko einer schweren Fehlbildung des Kindes ist im Vergleich zur natürlichen Befruchtung größer. Die Stimulationsbehandlung der Eierstöcke kann zu leichten Vergrößerungen der Eierstöcke und zu Zystenbildungen, aber auch zu einem Überstimulierungssyndrom mit Bauchschmerzen, Blähungen, Übelkeit, Erbrechen, Durchfall, Wassersucht und Eindickung des Blutes führen. Die Behandlungen werden heute in darauf spezialisierten Kliniken durchgeführt. Im Vorfeld einer Behandlung erfolgt ein ausführliches Beratungsgespräch, bei dem die Paare über die Möglichkeiten der Behandlung informiert werden. In den meisten Kliniken wird eine psychologische Begleitung der Behandlungen angeboten. Sie folgen festgelegten Behandlungsschemata, die in Protokollen festgelegt sind. ‒ Die Verfahren der assistierten Reproduktion unterliegen dem Embryonenschutzgesetz und den Bestimmungen der Berufsordnungen der einzelnen Landesärztekammern, die Richtlinien zur Durchführung erlassen haben.

Röntgenstrahlung

Bei den Röntgenstrahlen handelt es sich um eine elektromagnetische Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als das Licht. Sie unterscheidet sich von den Gammastrahlen und dem elektromagnetischen Bestandteil der kosmischen Strahlung nur durch die Entstehungsweise. Röntgenstrahlen sind unsichtbar, erzeugen Fluoreszenz, schwärzen Fotoplatten und können Atome ionisieren. Ähnlich Lichtstrahlen zeigen sie Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz und Polarisation, haben aber im Unterschied zum Licht ein hohes Durchdringungsvermögen für die meisten Stoffe. Die Röntgenstrahlung setzt sich zusammen aus der Bremsstrahlung, die beim plötzlichen Abbremsen schneller Elektronen beim Aufprall auf Materie entsteht (Ablenkung der Teilchen im elektrischen Feld der Atomkerne), und der charakteristischen Röntgenstrahlung (Eigenstrahlung, Röntgenfluoreszenzstrahlung) der Atome. Diese entsteht, wenn die kernnächsten, inneren Elektronen der Atomhülle angeregt wurden und von dem angeregten in einen energetisch tiefer liegenden Zustand zurückfallen. Die Bremsstrahlung zeigt ein kontinuierliches Spektrum, die charakteristischen Röntgenstrahlen sind Strahlen einer bestimmten Wellenlänge, im Spektrum deshalb als einzelne Linien erkennbar. Die Linien werden danach benannt, welche innere Schale beim jeweiligen Elektronenübergang »aufgefüllt« wird (K, L, M, N, … ), das K-Spektrum z. B. entsteht als Folge des Elektronenüberganges von höheren Schalen in die K-Schale. Die Frequenz der charakteristischen Röntgenstrahlen verschiebt sich nach dem Moseley-Gesetz (Moseley) mit steigender Ordnungszahl des emittierenden Atoms in den kurzwelligen Bereich. Auf Materie auftreffende Röntgenstrahlung kann Elektronen herauslösen (Röntgenfotoeffekt) oder wiederum neue Röntgenstrahlen erzeugen (sekundäre Röntgenstrahlen).

Einteilung und Anwendung:

Technisch werden Röntgenstrahlen meist mit Röntgenröhren erzeugt, wobei man ultraweiche (Wellenlängen > 1 nm), weiche (1‒0,1 nm), harte (0,1‒0,01 nm) und ultraharte (< 0,01 nm) Röntgenstrahlen unterscheidet. Die Röntgenstrahlen überschneiden sich am langwelligen Ende des Spektrums mit der UV-Strahlung Röntgen-UV (< 100 nm), bei kurzen Wellenlängen mit der Gammastrahlung. Sehr viel kurzwelligere (härtere) Röntgenstrahlen lassen sich mit Elektronenbeschleunigern (bis etwa 10-7 nm) erzeugen (Synchrotronstrahlung). Technisch nutzt man die Röntgenstrahlen v. a. in der Medizin, Metallurgie, Kristallografie und chemischen Analytik. Die für verschiedene Stoffe unterschiedliche Durchdringungsfähigkeit der Röntgenstrahlen wird besonders für medizinische Zwecke (Röntgenuntersuchung, Strahlenschäden, Strahlentherapie) und zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angewandt. Weitere Verfahren zur Strukturuntersuchung sind u. a. Röntgenstrukturanalyse, Röntgenspektroskopie und Röntgenmikroskopie. ‒ Der Umgang mit Röntgenstrahlen unterliegt den Verordnungen des Strahlenschutzes. Zur Bestimmung der Dosis (Dosisleistung) von Röntgenstrahlen dienen Dosimeter.

Kryophysik

Die Kryophysik oder auch Tieftemperaturphysik ist ein Spezialgebiet der Physik, das sich mit der Erzeugung und der Messung sehr tiefer Temperaturen (< 80 Kelvin) sowie mit der Untersuchung von Materialeigenschaften und Prozessen bei diesen Temperaturen befasst. Die Technik zur Erzeugung tiefer Temperaturen (Kryotechnik) nutzt bis zu etwa 1 Kelvin die Gasverflüssigung, vor allem von Stickstoff (Siedetemperatur 77 Kelvin), Wasserstoff (20,4 Kelvin) und Helium (4,2 Kelvin), die verflüssigt als Kühlmittel in Kryostaten eingesetzt werden. Erniedrigt man den Dampfdruck über der Flüssigkeit, so nimmt die Temperatur noch weiter ab. Durch Abpumpen von flüssigem Helium 4 können damit 0,8 Kelvin erreicht werden. Tiefste Temperaturen bis in die Nähe des absoluten Nullpunktes werden mithilfe des elektrokalorischen und magnetokalorischen Effekts, spezieller Mischungseffekte bei suprafluidem Helium sowie der adiabatischen Entmagnetisierung erzielt. Durch Laserkühlung können stark verdünnte Gase (Atomstrahlen) in sehr kurzen Zeiten (einige Millisekunden) auf Temperaturen im Mikro-Kelvin-Bereich und darunter gekühlt werden. Technische Anwendung finden die Ergebnisse der Tieftemperaturphysik bei der Verflüssigung und Lagerung von Gasen. Verflüssigte Gase dienen u. a. auch als Kühlmittel für supraleitende Magnete, die z. B. in Teilchenbeschleunigern, Kernfusionsanlagen und in der Medizintechnik (bei der Kernspintomografie) die Erzeugung extrem starker Magnetfelder ermöglichen. In der Entwicklung befinden sich tiefgekühlte, supraleitende Kabel zur Energieübertragung.

Biokunststoffe

Unter dem Begriff Biokunststoffe werden kunststoffanaloge Werkstoffe zusammengefasst, die vollständig oder zu überwiegenden Anteilen aus Biopolymeren erzeugt und unter Anwendung der für Kunststoffe üblichen Verfahren modifiziert werden.
Zur Herstellung von Biokunststoffen werden vorwiegend agrarische Rohstoffe wie Pflanzenöl, Stärke, Zucker oder Cellulose als Ausgangsstoffe verwendet. Reststoffe aus der Lebensmittelverarbeitung, beispielsweise Tomaten- und Kartoffelschalen, Rübenmelasse oder Krebs- und Krabbenschalen, können ebenfalls als Rohstoffe dienen. Die meisten Biokunststoffe können biologisch abgebaut werden (biologisch abbaubare Werkstoffe), d. h., Mikroorganismen wandeln sie in Kohlendioxid und Wasser um.

Stärkewerkstoffe, auch Stärkeblends genannt, basieren auf nativer Pflanzenstärke. Mit speziellen Verfahren kann man ihnen thermoplastische Eigenschaften verleihen. Polyester wie Polymilchsäure (PLA) oder Polyhydroxyalkanoate (PHA) werden mit biotechnologischen Verfahren hergestellt. Zur Produktion von PLA wird fermentativ erzeugte Milchsäure anwendungsspezifisch aus dem Rohstoff selektiert und anschließend polymerisiert. Cellulosewerkstoffe werden aus schnellwachsenden Baumarten, z. B. Eukalyptus, gewonnen. Speziell aufgereinigte und behandelte Biokunststoffe werden auch als Biomaterialien in der Medizintechnik eingesetzt.

Biokunststoffe können wie konventionelle, erdölbasierte Kunststoffe zu einer Vielzahl von Anwendungen verarbeitet werden. Sie gelten als wichtige Innovation der Chemie- und Kunststoffindustrie (Bioraffinerie). Der weltweite Absatz an Biokunststoffen für die verschiedensten Anwendungen wird 2003 auf 50 000‒60 000 Tonnen geschätzt. Bisher kommen Biokunststoffe in überwiegend kurzlebigen Anwendungen zum Einsatz, z. B. als kompostierbare Abfallbeutel, Transportverpackungen, Mulchfolien oder Tragetaschen. Neben der biologischen Abbaubarkeit und der regenerativen Rohstoffbasis besitzen Biokunststoffe auch technische Eigenschaften, welche sie von konventionellen Kunststoffen unterscheiden, z. B. in ihrer Durchlässigkeit für Gase. Mittel- und langfristig geht man davon aus, dass sie einen nennenswerten Teil des Marktes für Kunststoffprodukte besetzen können.