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Online-Jahresbericht 2015

Wissenschaftliche Höhepunkte


Neues Verfahren zu verbesserter Tumordiagnose erfolgreich erprobt

PNA-Antikörper stöbern zunächst die erkrankten Zellen (rot) auf und reichern sich im Tumor an. Im Anschluss binden radioaktiv markierte Sonden (blau) an die PNA-Antikörper. Mit modernen Bildgebungsverfahren können Forscher den Tumor so visualisieren. Foto: HZDR/Pfefferkorn

Gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Zürich und Bochum konnten Wissenschaftler des HZDR erstmals eine neue Methode für die Tumordiagnose erfolgreich unter realitätsnahen Bedingungen testen. Seit einigen Jahren greift die Krebsforschung auf radioaktiv markierte Antikörper – Proteine, die das menschliche Immunsystem normalerweise zur Abwehr von Krankheitserregern bildet – zurück, um bösartige Tumore zu entdecken und zu bekämpfen. Da sie spezifisch an bestimmte Zielstrukturen binden, lassen sich die erkrankten Zellen mit Hilfe bildgebender Verfahren aufspüren. Ein Problem war bislang jedoch ihre große molekulare Masse.

Die präparierten Antikörper zirkulieren deswegen relativ lange im Körper, bevor sie am Tumor binden. Außerdem reichern sie sich dadurch auch im gesunden Gewebe an. Das verzögert die Detektion des Tumors und führt zu einer unnötigen Strahlenbelastung gesunder Organe. Die Dresdner Forscher wählten deshalb eine alternative Strategie: das Pre-Targeting. Dabei wird die Aufgabe in zwei Schritte geteilt. Zunächst schickten sie nicht-radioaktiv markierte Antikörper (Cetuximab) voraus und ließen ihnen genügend Zeit, um sich an den Rezeptoren des Epidermalen Wachstumsfaktors zu sammeln. Bei verschiedenen Tumorarten wird dieses Molekül verstärkt gebildet oder liegt in mutierter Form vor, was dazu führt, dass die Zellen unkontrolliert wachsen und sich vermehren.

Um den Antikörper später aufzuspüren, kombinierten ihn die Forscher mit einem Derivat der Peptid-Nukleinsäure (PNA) – einer stabilen, synthetischen Variante der DNA. Dadurch konnte ein komplementäres PNA-Gegenstück, das die Wissenschaftler mit der radioaktiven Substanz Technetium-99m markiert hatten und im zweiten Schritt verabreichten, direkt den Weg zu den erkrankten Zellen finden. Der Tumor konnte so in kurzer Zeit deutlich visualisiert werden, während das Risiko einer Strahlenbelastung für gesundes Gewebe im Körper minimiert wurde. Durch das Pre-Targeting könnten somit die Einschränkungen konventioneller, radioaktiv markierter Antikörper überwunden werden.

  • Pressemitteilung: Molekularer Spion gegen Krebs
  • Publikation: A. Leonidova, C. Foerster, K. Zarschler, M. Schubert, H. Pietzsch, J. Steinbach, R. Bergmann, N. Metzler-Nolte, H. Stephan, G. Gasser, „In vivo demonstration of an active tumor pretargeting approach with peptide nucleic acid bioconjugates as complementary system”, in: Chemical Science (2015), DOI: 10.1039/c5sc00951k
  • Kontakt: Dr. Holger Stephan, Institut für Radiopharmazeutische Krebsforschung

Teilchenbeschleuniger im Untergrund-Labor Gran Sasso spürt seltenes Ereignis auf

Eingang zum Gran-Sasso-Labor des Italienischen Nationalen Instituts für Nuklearphysik. Foto: INFN

Erstmalig konnte eine internationale Forschergruppe, an der Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf führend beteiligt sind, eine Kernreaktion nachweisen, die sonst nur in sogenannten Roten Riesen auftritt. In diesen enormen Sternen entstehen viele der chemischen Elemente, aus denen die uns umgebende Materie besteht. Durch gigantische Explosionen am Lebensende der Roten Riesen werden sie schließlich in den Kosmos geschleudert. Die Prozesse, die sich in Sternen abspielen, erkunden Forscher am Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics (LUNA) im Gran-Sasso-Labor des Italienischen Nationalen Instituts für Kernphysik.

LUNA liegt eineinhalb Kilometer untertage im Gran-Sasso-Massiv. Das Deckgestein schützt die Experimente vor störenden Einflüssen der kosmischen Strahlung. Das ermöglicht es, Bedingungen wie im Inneren von Sternen nachzustellen. Am LUNA-Beschleuniger konnten die Wissenschaftler im Neon-Natrium-Zyklus, der für die Produktion von Natrium wichtig ist, drei bisher nicht beobachtete „Resonanzen“ zum ersten Mal erfassen. Mit diesem Begriff bezeichnen Teilchenphysiker Erhöhungen der Wechselwirkungsrate, die nur bei ganz bestimmten Energien auftreten. Wenn Atomkerne aufeinander stoßen, kann sich bei der richtigen Energie ein angeregter Kernzustand – eine Resonanz – bilden.

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher Wasserstoffkerne beschleunigt und mit ihnen das Edelgas-Isotop Neon-22 beschossen. Über spezielle Detektoren konnten sie anschließend den extrem seltenen Prozess aufzeichnen. Die beobachtete Natrium-Produktion liefert neue Anhaltspunkte für die Frage, wie die Elemente entstanden sind, aus denen sich unser Universum zusammensetzt.

  • Pressemitteilung: Das Rätsel um die Herkunft der Elemente im Universum
  • Publikation: F. Cavanna, R. Depalo, M. Aliotta, M. Anders, D. Bemmerer, A. Best, A. Boeltzig, C. Broggini, C.G. Bruno, A. Caciolli, P. Corvisiero, T. Davinson, A. di Leva, Z. Elekes, F. Ferraro, A. Formicola, Z. Fülöp, G. Gervino, A. Guglielmetti, C. Gustavino, G. Gyürky, G. Imbriani, M. Junker, R. Menegazzo, V. Mossa, F. R. Pantaleo, P. Prati, D. A. Scott, E. Somorjai, O. Straniero, F. Strieder, T. Szücs, M.P. Takács, D. Trezzi, „Three new low-energy resonances in the 22Ne(p,gamma)23Na reaction“, in: Physical Review Letters, 115, 252501 (2015), DOI: 10.1103/PhysRevLett.115.252501
  • Kontakt: PD Dr. Daniel Bemmerer, Institut für Strahlenphysik

Forscher entdecken Riesenmagneto-Widerstand in neuartiger Verbindung

Hoher Widerstand dank schneller Elektronen: Die Ladungsträger (blau: Elektronen, rot: Löcher) eines Leiters werden durch das Magnetfeld (schwarze Pfeile) von ihrer ursprünglichen Stromrichtung (grüner Pfeil) abgelenkt; je schneller sie sind, umso stärker ist die Ablenkung entgegen der ursprünglichen Stromrichtung und damit die Zunahme des Widerstandes. In Niobphosphid ist der Effekt besonders groß, weil es besonders schnelle Elektronen besitzt. Grafik: Yulin Chen

Elektronik soll immer mehr Daten immer schneller und auf engerem Raum verarbeiten und speichern. Ingenieure nutzen dafür seit Langem physikalische Effekte aus, zum Beispiel den Riesenmagneto-Widerstand. Bei diesem Phänomen ändert sich der elektrische Widerstand eines Materials stark, wenn es einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Auf diese Weise konnte zum Beispiel die Speicherkapazität moderner Festplatten enorm gesteigert werden. Um diesen Effekt zu erzielen, muss die Computerindustrie bisher auf verschiedene, filigran übereinander geschichtete Materialien zurückgreifen. Die Produktion solcher Systeme ist äußerst komplex.

Eine Alternative könnte eine Verbindung aus Niob und Phosphor darstellen: Niobphosphid. In diesem Material konnten Forscher des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe gemeinsam mit Wissenschaftlern des Hochfeld-Magnetlabors Dresden am HZDR einen etwa 10.000-fachen Anstieg des Widerstands beobachten. Der Grund für die drastische Änderung sind sogenannte relativistische Elektronen, die es im Niobphosphid gibt – also superschnelle Ladungsträger, die sich mit etwa 300 Kilometern pro Sekunde fortbewegen. Der Einfluss eines angelegten Magnetfeldes hängt wiederum von der Geschwindigkeit der Elektronen ab.

Denn das Feld lenkt die Ladungsträger über die Lorentzkraft ab. Dies führt dazu, dass bei steigender Stärke eines Magnetfelds ein immer größerer Teil der Elektronen in die falsche Richtung fließt. Dadurch wächst der elektrische Widerstand. Also je schneller die Elektronen, desto größer der Effekt des Magnetfeldes. Wie die Forscher zeigen konnten, beruhen die exotischen Eigenschaften des Niobphosphids auf einigen Elektronen, die sich so verhalten, als seien sie masselos. Sie können sich deshalb besonders schnell bewegen. Aus diesem Grund könnte sich das Metall für zukünftige Anwendungen in der Informationstechnologie sehr gut eignen.

  • Pressemitteilung: Mit 300 Kilometern pro Sekunde zu neuer Elektronik
  • Publikation: C. Shekhar, A.K. Nayak, Y. Sun, M. Schmidt, M. Nicklas, I. Leermakers, U. Zeitler, Y. Skourski, J. Wosnitza, Z. Liu, Y. Chen, W. Schnelle, H. Borrmann, Y. Grin, C. Felser, B. Yan, „Extremely large magnetoresistance and ultrahigh mobility in the topological Weyl semimetal candidate NbP”, in: Nature Physics, 11, 645 (2015), DOI: 10.1038/nphys3372
  • Kontakt: Prof. Joachim Wosnitza, Hochfeld-Magnetlabor Dresden

Neue Modellrechnungen sagen wirtschaftlich effizienteste Metallaufbereitung voraus

Wird nichtverwertbares Gestein möglichst frühzeitig von den Erzen getrennt, minimiert das die Kosten und den Abraum in der weiteren Rohstoffverarbeitung. Quelle: TUBAF / Detlev Müller

Einer der wichtigsten Prozesse bei der Gewinnung von wertvollen Metallen aus Lagerstätten ist die Aufbereitung. Hierfür wird das Gesteinsmaterial durch eine Reihe unterschiedlicher Verfahren zerkleinert und die Erze vom nichtbrauchbaren Nebengestein getrennt. Welche Verfahren dabei genau zum Einsatz kommen, hängt von den Eigenschaften der Erze ab, wie zum Beispiel von der mineralogischen Zusammensetzung oder der Konzentration der darin befindlichen Wertelemente.

HZDR-Forscher vom Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie haben eine adaptive Methode entwickelt, mit der sie vorhersagen können, wie Aufbereitungsverfahren miteinander kombiniert und Anlagen eingestellt werden müssten, um die wirtschaftlich effizienteste Ausbeute zu erzielen. Die Entwicklung solcher Modellrechnungen ist besonders wichtig für die Gewinnung von wirtschaftsstrategischen Hightech-Metallen wie Germanium, Gallium, Indium oder den Seltenen Erden. Diese werden wegen ihrer geringen Konzentration in häufig komplex zusammengesetzten Erzen oft nur als Begleitelemente abgebaut, sofern sich der Mehraufwand dafür lohnt.

In der Erkundungsphase wird eine Lagerstätte in verschiedene Gesteinsblöcke mit einer Größe von je etwa 1.000 Kubikmetern unterteilt. Auf der Grundlage von Bohrkerndaten und statistischen Methoden erstellen die Freiberger Mathematiker dreidimensionale Modelle mit den Eigenschaften dieser Blöcke. Daraus können die Forscher ableiten, welche Verfahren und Einstellungen am besten für die Aufbereitung jedes einzelnen Blocks geeignet sind. Neu an den Berechnungen ist, dass die Wissenschaftler prognostizieren können, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine bestimmte Eigenschaft im Gestein auftritt. Die Prozesse in den dafür nötigen Anlagen lassen sich auf diese Weise nach Bedarf an die sich lokal ändernden Gesteinseigenschaften anpassen.

  • Publikation: R. Tolosana-Delgado, U. Mueller, K.G. van den Boogaart, C Ward, J. Gutzmer, „Improving processing by adaptation to conditional geostatistical simulation of block compositions”, in: The Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy 115 (2015)
  • Kontakt: Dr. Raimon Tolosana Delgado, Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie

Notfallszenarien in Kernreaktoren besser verstehen

Drucktank der Versuchsanlage TOPFLOW, eine Anlage zur Untersuchung von Stoffströmen und Strömungsgemischen aus Gasen und Flüssigkeiten unter praxisrelevanten Bedingungen. Quelle: HZDR / Rainer Weisflog

In einem Kernreaktor wird Wasser bei hohem Druck durch die bei der Kernspaltung freiwerdende Wärme aufgeheizt – bei einem Druckwasserreaktor auf etwa 300 Grad Celsius. In einem zweiten Kreislauf wird so Dampf für den Betrieb einer Turbine erzeugt. Muss ein Kernreaktor, etwa infolge eines Störfalls, abgeschaltet werden, ist wegen der weiterhin entstehenden Nachzerfallswärme eine kontinuierliche Kühlung der Brennstäbe unerlässlich. Sollte es sich bei dem Störfall um ein Leck im Kühlkreislauf handeln, wird der Verlust an Wasser durch Einspeisen von Notkühlwasser aus zusätzlichen Behältern ersetzt. Das Notkühlwasser ist dabei deutlich kälter als die Reaktorkomponenten.

Aufgrund des großen Temperaturunterschiedes könnte es daher zu thermomechanischen Belastungen der Reaktorwand kommen, falls sich kaltes und heißes Wasser an der Einspeisestelle ungenügend vermischen. Zu hohe thermische Spannungen wiederum bergen die Gefahr von Rissen im Reaktorstahl. Ziel ist deshalb eine möglichst gute Vermischung. Um die Einspeisung des Notkühlwassers zu optimieren und so die Materialbelastung zu minimieren, berechnen Wissenschaftler die Strömungsvorgänge an der Einspeisestelle mit Hilfe aufwendiger Computersimulationen.

Anlagenrelevante Experimentaldaten, die zur Validierung und Weiterentwicklung solcher numerischer Strömungsberechnungsprogramme notwendig sind, sind jedoch rar. Forschern vom HZDR-Institut für Fluiddynamik ist es nun erstmals gelungen, verschiedene Teileffekte des Einströmvorgangs zu separieren und diese mit hochauflösender Messtechnik zu untersuchen. Mit einer Hochgeschwindigkeitskamera und beweglichen Druck- und Temperatursensoren konnten sie das Verhalten des Kaltwasserstrahls beim Eindringen in das heiße Wasser genau beobachten. Dafür nutzten sie die HZDR-Versuchsanlage TOPFLOW, um bei realistischen Temperaturen und Drücken (5 MPa, 264°C) zu messen.

Die weltweit einzigartigen Daten sind nicht nur für die Sicherheit von Reaktoranlagen von Bedeutung, sondern lassen sich auch auf Prozesse der chemischen Verfahrenstechnik übertragen. Die Ergebnisse könnten hierbei einen Beitrag zur Effizienzsteigerung leisten.

  • Publikation: T. Seidel, „Direct condensation and entrainment steam experiments at the TOPFLOW-DENISE facility“, atw – International Journal for Nuclear Power, 2015
  • Kontakt: Matthias Beyer, Institut für Fluiddynamik