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Wissenschaftliche Höhepunkte – Online-Jahresbericht 2016


Tumorstoffwechsel besser quantifizieren

PET-Parameter Standard Uptake Value bei Patient mit Speiseröhrenkarzinom

Der Parameter Standard Uptake Ration (SUR) bei einem Patienten mit Speiseröhrenkarzinom

Bild: Frank Hofheinz, HZDR

Ein neuer Parameter, der sich aus PET-Bildern bestimmen lässt, könnte ein wichtiger Baustein zur maßgeschneiderten Krebstherapie sein. Forscher des HZDR entwickelten den Standard Uptake Ratio (SUR), mit dem der Tumorstoffwechsel genauer als mit derzeit eingesetzten Methoden quantifiziert werden kann. Das ermöglicht bessere Vorhersagen für die Behandlung und könnte zukünftig für eine individualisierte Therapie von Nutzen sein.

Um den Tumorstoffwechsel zu quantifizieren, nutzt man bislang einen Parameter, der sich Standard Uptake Value (SUV) nennt. Der ist jedoch sehr ungenau. Mehrere Studien ergaben, dass mit SUR eine deutlich bessere Quantifizierung möglich ist. Ob dies auch einen Vorteil für die Patienten hat, untersuchten Wissenschaftler des HZDR in Zusammenarbeit mit Kliniken. So werteten sie gemeinsam mit dem OncoRay-Zentrum Dresden die klinischen Daten von 130 Patienten mit einem Speiseröhrenkarzinom aus. Dazu setzten sie die PET-Parameter sowie weitere klinische Eigenschaften des Tumors mit dem jeweiligen Therapieverlauf in Beziehung.

Die Studie ergab, dass sich mit dem SUR tatsächlich Rückschlüsse auf die Überlebenschancen des Patienten sowie auf das Risiko von Fernmetastasen oder die Entstehung eines Lokalrezidiv ziehen lassen. Sind solche Vorhersagen vor Beginn der Therapie möglich, könnte die Behandlung  entsprechend angepasst werden, etwa durch eine intensivierte Chemotherapie oder eine höhere Bestrahlungsdosis. Da eine PET-Untersuchung ohnehin durchgeführt wird, verursacht die SUR-Berechnung keine Extrabelastung. Bevor die neue Methode den Patienten zugutekommen kann, muss sie in einer prospektiven Validierung an einer  größeren Anzahl von Patienten getestet werden.


Erzeugung von Diamant und Lonsdaleit durch Schockkompression

Simulation von Lonsdaleit, einem exotischen Kristall aus Kohlenstoff, der bei einem Druck von rund zwei Millionen Atmosphären entstehen könnte. (Bild: Dr. Jan Vorberger)

Simulation von Lonsdaleit, einem exotischen Kristall aus Kohlenstoff, der bei einem Druck von rund zwei Millionen Atmosphären entstehen könnte. (Bild: Jan Vorberger, HZDR)

Die Umwandlung von Graphit in Diamant ist von großem wissenschaftlichen und technologischen Interesse. Forschern am HZDR ist es erstmals gelungen, diesen unter extremen Bedingungen stattfindenden sehr schnellen Prozess zu beobachten. Um diese besondere Materieform zu simulieren, wurde eine Graphitprobe mit hochintensiven Laserblitzen beschossen. Das Experiment erfolgte im kalifornischen Stanford am Röntgenlaser Linac Coherent Light Source.

Durch die Laserblitze wird die Oberfläche der Materialprobe extrem schnell erhitzt. Das erzeugt eine regelrechte Schockwelle, die das Material stark komprimiert und aufheizt. Für ein paar Nanosekunden entsteht warme dichte Materie, die sonst nur im Inneren von Planeten oder auf der Erde bei einem Meteoriteneinschlag auftritt. Bei der Auswertung des Experiments am HZDR fanden sich Hinweise, dass sich daraus ein Diamant oder sogar Lonsdaleit bildet – ein exotischer Kohlenstoffkristall, der in Reinform härter sein müsste als Diamant. Danach könnte diese Struktur bei einer Schockkompression mit einem Druck von rund zwei Millionen Atmosphären auftreten.  Die Helmholtz-Nachwuchsgruppe "Dynamic Warm Dense Matter Research with HIBEF" unter der Leitung von Dr. Dominik Kraus erforscht nun, wie viel von einer solchen Struktur nach dem Beschuss übrig bleibt. Da Nano-Diamanten unter anderem in der Medizin verwendet werden, besitzt die kontrollierte Erzeugung von Diamant und Lonsdaleit ein großes Anwendungspotenzial.

Für derartige Forschungen baut das HZDR die Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) am European XFEL in Schenefeld bei Hamburg auf.  Ab 2018 können Wissenschaftler dort Untersuchungen unter Extrembedingungen wie hohen Drücken, Temperaturen oder elektromagnetischen Feldern durchführen. Zwei neue Laser stehen bereit, mit denen sich Materialproben effektiv komprimieren und erhitzen lassen.


Kurzwellige Spinwellen für die Informationstechnologie der Zukunft

Die Antenne für die Spinwellen ist das Zentrum eines magnetischen Wirbels

Die Antenne für die Spinwellen ist das Zentrum eines magnetischen Wirbels

Bild: Sebastian Wintz, PSI

Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung sind magnetische Spinwellen, auch Magnonen genannt, eine vielversprechende Alternative für den Informationstransport. Der Einsatz in Computerchips setzt allerdings voraus, dass ihre Wellenlänge im Nanometer-Bereich liegt. Wissenschaftlern des HZDR ist es gemeinsam mit internationalen Partnern erstmals gelungen, Spinwellen mit solch kurzen Wellenlängen gezielt zu erzeugen. Durch das geschickte Design zweier hauchdünner Metallplättchen konnten sie die Elektronen-Spins in einem Magnetwirbel zu einer Welle mit extrem geringer Ausdehnung anregen. Der Mechanismus hat großes Anwendungspotenzial für die zukünftige Datenverarbeitung.

Derzeit basiert die Chiptechnologie auf elektrischen Strömen. Ein Problem dabei ist die durch den Stromfluss entstehende Wärme. Spinwellen haben den Vorteil, dass sich beim Datenfluss kaum Wärme entwickelt. Sie beruhen auf dem Eigendrehimpuls von Elektronen; diese bewegen sich selbst aber nicht. Traditionell erzeugt man Magnonen mit kleinen, künstlich hergestellten Antennen aus Metall – eine Methode, die sich für kleine Wellenlängen jedoch nicht eignet.

Bei ihrem neuen Konzept nutzten die Forscher als Antenne das Zentrum eines magnetischen Wirbels, der in einem hauchdünnen ferromagnetischen Plättchen entsteht. Hier ordnen sich nicht alle Spins, wie üblich, parallel zueinander an, sondern entlang konzentrischer Kreise. Die Spins in einem kleinen Bereich in der Mitte richten sich auf. Wird dieses Zentrum einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt, entsteht eine Spinwelle. Durch Einsatz eines zweiten Plättchens gelang es, deren  Wellenlänge um ein Vielfaches zu reduzieren und die gewünschte Kurzwelligkeit zu erreichen. Die Experimente zeigten zudem ein erstaunliches Phänomen: Die Geschwindigkeit, mit der sich diese Magnonen ausbreiten, ist stark richtungsabhängig.


Forscher stellen Verbindung her zwischen Sonnenzyklus und Planetenkonstellation

Bild der Sonne aus dem Jahr 2012, Quelle: NASA/SDO

Bild der Sonne aus dem Jahr 2012

Foto: NASA/SDO

Die Sonnenaktivität nimmt über einen 22-Jahre-Zyklus erst zu und dann wieder ab. Ursache dafür ist das Magnetfeld der Sonne, das etwa alle elf Jahre umpolt. HZDR-Forscher gehen davon aus, dass eine bestimmte Planetenkonstellation dabei den Takt vorgeben könnte. Sie entwickelten eine neue Theorie, nach der die Gezeitenkräfte der Planeten ausreichen, um die Aktivität der Sonne direkt zu beeinflussen. Denn erstaunlicherweise stimmt der Umpolungszyklus genau mit der Periode überein, in der Sonne, Venus, Erde und Jupiter in einer Linie stehen.

Das Sonnenmagnetfeld wird vom sogenannten Alpha-Omega-Dynamo hervorgerufen. Beim Omega-Effekt bildet sich durch die unterschiedlich schnelle Rotation des heißen, leitfähigen Plasmas ein Magnetfeld in Form zweier Ringe nördlich und südlich des Sonnenäquators. Daraus erzeugt der Alpha-Effekt wiederum ein Magnetfeld, das entlang der Längenkreise der Sonne verläuft, also zwischen ihren Polen. Wo und wie genau der Alpha-Dynamo entsteht, gilt als ungeklärt.

Das Forscherteam um Dr. Frank Stefani stellte fest, dass der Alpha-Effekt unter bestimmten Bedingungen zu Schwingungen neigt. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Tayler-Instabilität, die im heißen Plasma der Sonne aufgrund der Wechselwirkung von Magnetfeld und Strom entsteht. Erstmals fanden die Forscher Belege dafür, dass die Tayler-Instabilität auch zwischen Rechts- und Linkshändigkeit hin- und herpendeln kann. Das Besondere: Der Umschlag erfolgt ohne Änderung der Strömungsenergie. Somit reichen schon kleine Kräfte aus, um eine Schwingung des Alpha-Effekts anzuregen. Berechnungen zeigen, dass dafür die sehr schwachen Gezeitenkräfte von Venus, Erde und Jupiter genügen.


Erzbildende Prozesse mittels Geothermometrie besser verstehen

Geologe Matthias Bauer von der TU Bergakademie Freiberg, einem engen Kooperationspartner des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie, untersucht Gesteine im Besucherbergwerk Pöhla in Sachsen.

Ein Geologe bei der Untersuchung von Gesteinen. 

Foto: HZDR

Der größte Teil aller Buntmetall-Erzlagerstätten (Blei, Kupfer, Zink, Zinn) bildet sich durch die Zirkulation heißer, oft hochsaliner Wässer in der oberen Erdkruste. Dank hoher Temperaturen und Salinitäten können diese Lösungen beträchtliche Mengen verschiedener Spurenelemente aus Gesteinen in der Tiefe lösen; diese werden dann in der Nähe der Oberfläche entweder durch Abkühlung, Sieden oder die Vermischung mit Oberflächen-Wässern ausgefällt und bilden so eine Erzlagerstätte.

Um in der Tiefe verborgene Lagerstätten aufzuspüren, ist ein gutes Verständnis der geologischen Kontrollparameter, die zu ihrer Bildung führen, nötig. Woher kamen die erzbildenden Wässer? Aus welchen Gesteinen wurden die enthaltenen Metalle gelaugt? Welcher Mechanismus führte zur Ausfällung der Erze? All dies sind wichtige Faktoren, die für die exakte Lokalisation einer Lagerstätte von größter Bedeutung sind.

Ein wichtiges Indiz für die Natur der erzbildenden Prozesse ist die Temperatur und die Salinität der beteiligten Wässer. Geologen, die Erzlagerstätten erforschen, nutzen in der Regel kleinste Einschlüsse solcher Wässer in transparenten Mineralen (Quarz, Fluorit), sogenannte Flüssigkeitseinschlüsse, um diese beiden Parameter zu bestimmen. Die Methode ist aber mit mehreren Limitationen behaftet. Erstens bilden sich die untersuchten Minerale oft nicht gleichzeitig mit den eigentlichen Erzmineralen, sodass sie unter Umständen andere Bedingungen festhalten. Zweitens erlauben Einschlussuntersuchungen nur eine örtlich stark eingeschränkte Analyse, da Flüssigkeitseinschlüsse oft nur entlang vereinzelter Wachstumszonen in Kristallen auftreten.

Eine Alternative zu Flüssigkeitseinschlüssen bietet die chemische Zusammensetzung der Erzminerale selbst. So hängt zum Beispiel die Inkorporation bestimmter Spurenelemente stark von der Bildungstemperatur ab. Ein Element – oder eine Kombination von Elementen, die zur Bestimmung der Bildungstemperatur verwendet werden können – wird generell als „Geothermometer“ bezeichnet.

Forscher am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) des HZDR haben nun in einer neuen Studie ein solches Thermometer für Sphalerit entwickelt. Sphalerit, chemisch Zinksulphid (ZnS), ist das wichtigste Zinkmineral und kommt in fast allen sulphidischen Buntmetall-Lagerstätten vor, in der Regel in Assoziation mit anderen relevanten Erzmineralen. Mittels einer Metaanalyse geochemischer Daten konnte gezeigt werden, dass die Konzentrationen einiger Elemente in Sphalerit stark temperaturabhängig sind. Im Umkehrschluss ist es damit möglich, diese Abhängigkeiten als Geothermometer zu verwenden und erzbildende Systeme durch die Analyse der Erze selbst besser zu verstehen. Die Forscher hoffen, in Zukunft weitere Minerale, wie etwa Pyrit, für die Geothermometrie nutzbar zu machen.

  • Publikation: M. Frenzel, T. Hirsch, J. Gutzmer, “Gallium, germanium, indium, and other trace and minor elements in sphalerite as a function of deposit type - A meta-analysis”, in: Ore Geology Reviews 76 (2016), DOI-Link: 10.1016/j.oregeorev.2015.12.017
  • Kontakt: Dr. Max Frenzel, bis Januar 2018 an der University of Adelaide