Doppel-Erfolg für Chemie-Forschende

Annika Schardt und Johannes Schmitt vom Department Chemie und Biologie der Uni Siegen freuen sich über eine doppelte Auszeichnung ihrer gemeinsamen Forschung zu schnelleren Nanopartikel-Nachweisverfahren. 

Die Doktorandin Annika Schardt und ihr Forschungskollege Johannes Schmitt vom Department Chemie und Biologie der Uni Siegen sind auf einer internationalen Konferenz in Österreich mit zwei Preisen ausgezeichnet worden. Für die Entwicklung von verbesserten Nanopartikel-Nachweisverfahren erhielten sie den TOF-Preis für den besten Beitrag zur Forschung an schnellen transienten Signalen und Nanopartikeln. Zusätzlich wurde Johannes Schmitt mit einem Preis für die Posterpräsentation seines selbstentwickelten Datenaufnahmesystems für die Element-Massenspektrometrie ausgezeichnet. Die beiden ChemikerInnen sind in der Arbeitsgruppe „Analytische Chemie“ von Prof. Carsten Engelhard tätig. 

„Es freut mich ganz besonders, dass die Forschungsergebnisse von Annika Schardt und Johannes Schmitt internationale Beachtung finden. Für Annika, eine sehr talentierte Forscherin, ist das eine tolle Motivation für ihre weitere Doktorarbeit. Johannes hat über die Ergebnisse seiner Bachelorarbeit berichtet und zum ersten Mal überhaupt eine Konferenz besucht. Insgesamt ein herausragender Erfolg“, sagt Prof. Engelhard. 

Die Preisvergabe erfolgte auf dem so genannten „ICP-MS AnwenderInnen-Treffen“. 150 ExpertInnen auf dem Gebiet der Analytischen Chemie kamen im österreichischen Leoben zusammen, um neueste instrumentelle Entwicklungen und Anwendungsverfahren vorzustellen und um sich über Tipps und Tricks aus dem Labor-Alltag auszutauschen. Bei ICP-MS handelt es sich um eine massenspektrometrische Analysenmethode in der anorganischen Elementanalytik (engl. inductively coupled plasma mass spectrometry). 

Ansprechpartner: 

Prof. Dr. Carsten Engelhard 
Tel. +49 (0) 271 740 4573  
E-Mail: engelhard@chemie.uni-siegen.de 

Weitere Informationen: 
AK Engelhard: http://www.chemie-biologie.uni-siegen.de/analytische_chemie/  
ICP-MS Anwendertreffen: https://www.icpms-leoben2022.at/ 

Mit Röntgenblitzen zu neuen medizinischen Erkenntnissen

ForscherInnen – unter anderem der Universität Siegen – haben ein neues Verfahren am Röntgenlaser European XFEL entwickelt, um Proteinbewegungen in zellähnlichen Umgebungen sichtbar zu machen. Das könnte zum Beispiel dabei helfen, neue Medikamente zu entwickeln und die Entstehung von Krankheiten zu erforschen.

Proteine sind für viele biologische Funktionen im Körper verantwortlich, und das Verständnis ihrer Bewegungen in Zellen und zellähnlichen Umgebungen ermöglicht es Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, mehr über die Entwicklung von Medikamenten und die Entstehung von Krankheiten zu erfahren. Nun hat ein internationales Forscherteam einen neuen Weg gefunden, diese Proteindynamik zu untersuchen, indem es die hohe Wiederholrate und die hohe Kohärenz der Röntgenblitze des Röntgenlasers European XFEL in Hamburg nutzt. Die Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, nutzt eine als Megahertz-Röntgenphotonen-Korrelationsspektroskopie (MHz-XPCS) bezeichnete Technik und könnte neue Anwendungen in den Bereichen Gesundheit und Pharmazie eröffnen. 

Die Studie unter Leitung von Forschenden der Universität Stockholm, der Universität Tübingen, der Universität Siegen und des European XFEL nutzte die MID-Experimentierstation (Materials Imaging and Dynamics), um Lösungen von Antikörperproteinen zu untersuchen. Der Röntgenlaser erzeugt dabei Millionen von Blitzen pro Sekunde und ermöglicht es so den Forschenden, Bilder von Proteinen mit molekularer Auflösung aufzunehmen, und Abläufe zu beobachten, die kürzer als eine Mikrosekunde (millionstel Sekunde) sind. 

Die Kombination aus hohen Pulsraten und hochenergetischer Strahlung bei Röntgenlasern kann die untersuchten Proteine schädigen oder selbst Reaktionen auslösen. Mit einer geringeren Röntgenstrahlendosis haben die Forscher jedoch eine Möglichkeit gefunden, die Veränderungen der Proteine zu untersuchen, bevor eine Schädigung eintritt, und gleichzeitig die Auswirkungen des Röntgenstrahls auf die Bewegung der Proteine zu messen. 

„MHz-XPCS mit niedriger Dosis ist eine Methode, mit der wir die Dynamik von Proteinen auf eine Art und Weise untersuchen können, die bisher nicht möglich war“, sagt Anders Madsen, Co-Autor der Studie und als leitender Wissenschaftler bei European XFEL verantwortlich für die MID-Experimentierstation. „Durch die Kombination der hohen Pulsrate des European XFEL mit einer reduzierten Strahlungsdosis können wir neue Erkenntnisse über die Verhaltensweisen dieser Proteine gewinnen.“

„Die Reaktionen von Proteinen auf kleinen Skalen, Mikrosekunde für Mikrosekunde, sind eng mit Wechselwirkungen verbunden, die eine Reihe ihrer Eigenschaften bestimmen“, fügt Madsen hinzu. „Neue Erkenntnisse in diesem Bereich kann Wissenschaftlern dabei helfen, neue, modernere Medikamente zu entwickeln und unser Verständnis von Krankheiten zu verbessern.“

Mit MHz-XPCS können die Forscher nun auch das kollektive Verhalten vieler Proteinmoleküle auf einmal untersuchen. Dazu verwendete das Team eine hochkonzentrierte Immunglobulin-Proteinlösung, die die komplexe Umgebung einer Zelle nachahmt, in der sich viele Proteine gleichzeitig befinden.

„Viele Faktoren beeinflussen die Proteine in der überfüllten Umgebung unserer Zellen, die alle die Bewegung der Proteine verlangsamen und behindern“, sagt Prof. Foivos Perakis von der Universität Stockholm. „Studien zeigen auch, dass sich Proteine in überfüllten zellulären Räumen anders verhalten als in anderen Systemen. All diese Faktoren müssen berücksichtigt werden, um ein vollständiges Verständnis dieser Systeme zu erhalten.“

Die Studie eröffnet nicht nur einen neuen Weg zur Erforschung der Proteindynamik, sondern hat auch zu neuen Erkenntnissen über die Antikörperproteine selbst geführt, wie zum Beispiel zur Veränderung der Diffusion von Proteinen in einer Lösung in Abhängigkeit von der angewandten Strahlendosis. 

„Wenn Medikamente in unseren Blutkreislauf gelangen, binden sie an Proteine, die sie im Körper transportieren und verteilen“, erklärt Prof. Christian Gutt von der Universität Siegen und ebenfalls Autor der Studie. „Ein umfassendes Verständnis dieser Prozesse könnte zu wirksameren Behandlungen mit weniger Nebenwirkungen führen.“

Das Team will nun seine neue, niedrig dosierte MHz-XPCS-Technik einsetzen, um die Lücke in unserem Wissen über Proteine zu schließen, wo bisherige Messverfahren nicht eingesetzt werden konnten. 

„Die Röntgenphotonen-Korrelationsspektroskopie, kombiniert mit der hohen Wiederholrate des European XFEL, kann diese relevanten Messparameter zugänglich machen“, schließt Dr. Fajun Zhang, Wissenschaftler an der Universität Tübingen. „Vor allem kann sie Informationen über Prozesse liefern, die wir nur begrenzt verstehen, wie etwa die Bildung von Proteinansammlungen in den Zellen.“

Darstellung der MHz-XPCS-Technik, die zur Messung der Dynamik von Proteinen in dichten Lösungen eingesetzt wird.

Publikation: Resolving molecular diffusion and aggregation of antibody proteins with megahertz X-ray free-electron laser pulses

M. Reiser*, A. Girelli, A. Ragulskaya, S. Das, S. Berkowicz, M. Bin, M. Ladd-Parada, M. Filianina, H.-F. Poggemann, N. Begam, M. S. Akhundzadeh, S. Timmermann, L. Randolph, Y. Chushkin, T. Seydel, U. Boesenberg, J. Hallmann, J. Möller, A. Rodriguez-Fernandez, R. Rosca, R. Schaffer, M. Scholz, R. Shayduk, A. Zozulya, A. Madsen, F. Schreiber, F. Zhang, F. Perakis* and C. Gutt* [*corresponding authors] Nat Commun. 13, 5528 (2022)n https://doi.org/10.1038/s41467-022-33154-7 

Kontakt:
Prof. Dr. Christian Gutt, Universität Siegen
gutt@physik.uni-siegen.de

Millionen-Förderung für die Physik in Siegen

Die Siegener Physik erhält rund 1,5 Millionen Euro Förderung vom Bundesministerium für Bildung und Forschung. Ziel ist der Aufbau neuer Experimente mit Röntgenstrahlen an Großforschungsanlagen in Hamburg und Grenoble.

Die Eigenschaften von technischen und biologischen Materialien grundlegend zu verstehen, ist eine der zentralen Forschungsfragen der Festkörperphysik in Siegen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat jetzt zwei große Verbundprojekte bewilligt, mithilfe derer neue Einsichten in diese Materialien geliefert werden sollen. 1,5 Millionen Euro erhält die Universität Siegen. Damit sollen neue Experimente am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg und an der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble entwickelt werden.

Wesentliche Zutaten, um die Merkmale von Materialien zu bestimmen, sind die Anordnung und das dynamische Verhalten von Molekülen und Atomen. Um diese Vorgänge zu verstehen, benötigen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Untersuchungsmethoden, mit denen sie bis in molekulare und atomare Dimensionen auf schnellen Zeitskalen vordringen können – zum Beispiel intensives Röntgenlicht – wie es an den Teilchenbeschleunigern des Forschungszentrums DESY und an der ESRF in Grenoble erzeugt wird. Die ESRF erzeugt beispielsweise Röntgenstrahlen, die 10 Milliarden Mal heller sind als die in Krankenhäusern verwendeten Röntgenstrahlen. Damit funktioniert die ESRF wie ein „Supermikroskop“, das jährlich von mehr als 9.000 WissenschaftlerInnen weltweit genutzt wird.

Die Förderungen sind das Ergebnis langjähriger und erfolgreicher Forschungskooperationen der Universität Siegen mit DESY und der ESRF. „Sie stärken den Forschungsstandort Siegen, denn durch diese enge und gute Zusammenarbeit können wir in Siegen die Entwicklungen in den Materialwissenschaften und der Festkörperphysik ganz wesentlich vorantreiben und eröffnen einzigartige Forschungsmöglichkeiten für unsere Nachwuchswissenschaftler*innen und Studierenden“, erklärt Professor Dr. Christian Gutt vom Department Physik an der Uni Siegen.

Ziel des Projekts von Prof. Gutt (1,1 Millionen Euro Förderung) ist es, Instrumentierung aufzubauen, um dynamische Prozesse in biologischen Materialien zu erforschen. „In dem Projekt wollen wir die einzigartigen Strahleigenschaften der Anlage in Grenoble ausnutzen, um Dynamik von Proteinen auf der molekularen Ebene zu filmen. Diese Filme sollen es uns ermöglichen, Transporteigenschaften von Proteinen in Zellen und die Bildung von Plaques und Biomineralien zu verstehen. Die BMBF Förderung erlaubt es uns jetzt, die dafür notwendige technische Infrastruktur zu entwickeln“, erklärt Gutt.    

Das Projekt von Junior-Professor Dr. Peter Modregger wird vom BMBF mit 440.000 Euro gefördert und beschäftigt sich mit er Effizienz von Dünnschicht-Solarzellen und dem Risswachstum in modernen Stählen. „Mit dieser neuen Methode können wir die Materialwissenschaften und die Festkörperphysik der Universität Siegen ideal mit den Großforschungsanlagen verknüpfen“, sagt Modregger.  „Das ist ein zentrales Ziel meiner Professur, die eine gemeinsame Berufung von DESY und der Universität Siegen darstellt.“

Computer simuliert Corona-Infektion beim Menschen

Forschern der Theoretischen Chemie an der Universität Siegen ist es gelungen, die Anfangsprozesse des Eindringens des Corona-Virus in menschliche Zellen mit Hilfe des Supercomputers OMNI zu berechnen. Die Ergebnisse von PD Dr. Stephan Bäurle und Thanawat Thaingtamtanha könnten wichtige Ansätze für die Entwicklung von Corona-Medikamenten liefern.

An Medikamenten gegen Covid 19 wird auf der ganzen Welt geforscht. Je besser man das Virus und die Prozesse der Verbreitung im Körper kennt, desto eher ist es möglich, Ansatzpunkte einer Behandlung zu finden. In den experimentellen Laboren wird derzeit dazu sehr intensiv gearbeitet. Aber auch Simulationen spielen eine große Rolle. Chemische, zelluläre Abläufe bei einer Infektion mit dem SARS-CoV-2-Virus können mit dem Computer modelliert werden. Voraussetzung ist ein Hochleistungsrechner, wie ihn die Universität Siegen mit dem neuen OMNI Cluster besitzt. Dieser Supercomputer bietet PD Dr. Stephan Bäurle, der die Leitung des Arbeitskreises für Theoretische Chemie an der Universität Siegen innehat, die Möglichkeit, an der Aufklärung der Mechanismen verschiedener Krankheiten zu arbeiten.

Gemeinsam mit seinem Master-Studenten Thanawat Thaingtamtanha hat Bäurle nun  Berechnungsverfahren entwickelt und verwendet, mit denen die Anfangsprozesse des Eindringens des Corona-Virus in die menschliche Zelle auf atomistischer, also kleinster, Ebene beschrieben werden kann. Dabei ist es den Forschern gelungen, diese Abläufe so zu simulieren, dass es neue Erkenntnisse über den Mechanismus der Fusion zwischen den Stacheln auf der Oberfläche der Virusmembran und der Membran der menschlichen Zellen gibt. In der Computersimulation kann man nachverfolgen, wie der Infektions- und Vermehrungsprozess des Virus, das in den menschlichen Körper eingedrungen ist, auf molekularer Ebene in Gang kommt. „Wenn man das weiß, kann man versuchen, die Schwachstellen im Ablauf aufzuspüren, um die virale Replikation zu unterbrechen“, erklärt Bäurle. An diesem Punkt könnten dann antivirale Medikamente ansetzen. Der Vorteil: Auch deren Wirkung kann mithilfe von Computersimulationen abgeschätzt werden, bevor Forscherinnen und Forscher experimentell im Labor weitere Schritte unternehmen.

Für die Siegener Forscher sind detaillierte Kenntnisse über die molekularen Prozesse beim Eindringen des Corona-Virus in die Wirtszelle Voraussetzung für die Entwicklung neuer Medikamente. Beim Corona-Virus spielen zwei Schlüsselproteasen die Hauptrollen: TMPRSS2 und Furin. Proteasen sind körpereigene Enzyme, die wie „Werkzeuge“ auf molekularer Ebene agieren. Furin arbeitet wie eine Schere und sorgt mit einem „Schnitt“ von spezifischen Proteinen dafür, dass diese in Zellen „aktiv“ werden. Diese Aktivierung ist wichtig, um körpereigene Prozesse anzuregen. Corona-Viren des Typs SARS-CoV-2, die man gern als runde Kügelchen mit spitzen Stacheln darstellt, haben aber leider, im Gegensatz zu anderen Corona-Viren, an eben diesen Stacheln (Spike-Proteine) charakteristische Stellen, die dem Furin signalisieren, dass ein Schnitt erfolgen muss (sog. Furin-Spaltstellen). Dabei besteht jedes Spike-Protein aus drei Untereinheiten (Heteromere) mit jeweils einer Furin-Spaltstelle. Die Spaltstellen befinden sich am Ende jedes Heteromers, wo es eine Art Gabelung in zwei Äste (S1 und S2) gibt. Das Furin tut, was es tun muss. Es „schneidet“ an der Spaltstelle einen „Ast“ ab und ermöglicht so das Eindringen des Virus in die gesunde Zelle. Der Vermehrungsprozess kann beginnen.

Bäurle und sein Team konnten durch groß angelegte atomistische Berechnungen diesen Mechanismus noch genauer aufzeigen und beschreiben, wie sich an der Zellmembran der Wirtszelle eine „Tür“ für das Spike-Protein öffnet. Als „Türöffner“ fungiert ein ACE-2-Rezeptor. „Wir konnten zeigen, dass die Bindung des ACE2-Zellrezeptors an eines der Heteromere des Spikes zu einer verstärkten Bindung von Furin führt, die wiederum die Bindung der Protease TMPRSS2 fördert“, so Bäurle. Hieraus lässt sich schlussfolgern, dass Furin die Fusion des Virusstachels mit der Zellmembran beschleunigt, so dass das Virus schließlich sein Erbmaterial in die Wirtszelle besser einschleusen und sich dort leichter vermehren kann.

Die Ergebnisse der Arbeit im Arbeitskreis Theoretische Chemie am Department Chemie und Biologie wurden erst kürzlich publiziert (https://link.springer.com/article/10.1007/s00894-022-05206-8). Bäurle hofft, dass die beschriebenen Erkenntnisse zur Entwicklung von Therapien für Patientinnen und Patienten beitragen können – und das nicht nur bei Covid 19. Es ist seit längerem bekannt, dass eine fehlregulierte Aktivität von Furin zu einer Vielzahl von Erkrankungen, wie Krebs, Diabetes, Entzündungen, neurologische sowie kardiovaskuläre Erkrankungen, führen kann. „Die Ergebnisse unserer Arbeit deuten darauf hin, dass Risikofaktoren, die mit einem erhöhten Furinspiegel einhergehen, die Virulenz der Virusinfektion durch SARS-CoV-2 steigern“, so Bäurle.

Die Siegener Wissenschaftler der Theoretischen Chemie konnten mit ihrer Arbeit der Corona-Forschung ein Mosaikstein hinzufügen. „Wir wollen mehr wissen und mit unserer Arbeit einen Beitrag leisten im Kampf gegen das Virus. Und über die Zusammenarbeit, zum Beispiel mit der Humanbiologie unserer Universität, aber auch durch den Austausch in größeren Forschungsnetzwerken, können weitere hinzukommen“, hofft der Wissenschaftler.

MINToringSi-Projektphase gestartet

Für die 18 Oberstufen-Schüler:innen heimischer Gymnasien und Gesamtschulen, die 2021 ins Coaching-Programm „MINToringSi – Studierende begleiten Schüler:innen auf ihrem Weg in ein MINT-Studium“ gestartet sind, hat das zweite Förderjahr begonnen. Nachdem die Teilnehmer:innen im ersten Förderjahr des Coaching-Programms in einer Feierstunde offiziell ins Programm aufgenommen wurden und durch eine Exkursion zum Campus Buschhütten mit dem MINT-Bereich vertraut gemacht wurden, steht im zweiten Förderjahr ein eigenes, kleines Forschungsprojekt im Fokus.

„Im Team können wissenschaftliches Arbeiten geübt und wichtige Kompetenzen für den MINT-Studienalltag erworben werden“, sagte Dr. Thomas Reppel, Programmkoordinator seitens der Universität Siegen. „Die vertiefenden Einblicke tragen dazu bei, Studien- und Berufsperspektiven zu konkretisieren“, ergänzte Julia Förster, die das Programm für die Arbeitgeberverbände Siegen-Wittgenstein betreut. Neben dem praktischen Forschungsteil umfasst die Arbeit eine schriftliche Ergebnisdokumentation sowie eine mündliche Präsentation, die im kommenden Jahr im Rahmen einer Feierstunde im Haus der Siegerländer Wirtschaft vorgestellt werden.

Bei dem Treffen an der Universität Siegen standen daher die Gruppenbildung und Themenfindung für die Forschungsprojekte im Fokus. Das MINToren-Team, dem Anna-Lena Dreisbach, Alexander Becher, Tobias Held, Dr. Thomas Schulte und Tristan Zemke angehören, hatte die Aufgabe, die 18 Oberstufen-Schüler:innen bei der Themenfindung und -konkretisierung zu unterstützen. Um die Themenfindung etwas zu erleichtern, wurden den MINTees im Vorfeld dieser Veranstaltung beispielhaft Themen vergangener Projekte genannt. Bei dem jetzt erfolgten Treffen an der Universität Siegen wurden die Themen hinsichtlich ihrer Machbarkeit diskutiert und konkretisiert. Aktuell sieht es danach aus, dass sich die Gruppe von MINTorin Anna-Lena Dreisbach mit einer automatisch ausrichtenden Photovoltaikanlage befassen wird. Die Gruppe von MINTor Tobias Held hat als Thema die klimafreundliche Kosmetik inklusive einer Verpackung ins Auge gefasst. Die Energieumwandlung elektromagnetischer Strahlung wird vermutlich das Thema von der Gruppe um MINTor Thomas Schulte sein. Die Gruppenmitglieder um das MINToren-Duo von Tristan Zemke und Alexander Becher werden sich voraussichtlich mit einem Cyanobakterien-Reaktor beschäftigen.

„Während der Projektphase werden die Schüler:innen von ihren MINToren (Studierende und Doktoranden der MINT-Fächer an der Universität Siegen) unterstützt“, erläutert Dr. Thomas Reppel. „Somit können sie von dem Fachwissen, den Erfahrungen und den Netzwerken ihrer Coaches profitieren“, ergänzt Julia Förster.

Damit die MINToringSi-Teilnehmenden mit dem Handwerkszeug für den Zwischenbericht, der Ende November abgegeben werden muss, gerüstet sind, bieten die MINToren in ihren jeweiligen Kleingruppen einen Schreibworkshop zum wissenschaftlichen Arbeiten an. Einen ersten Einblick zum wissenschaftlichen Arbeiten gab es zudem bei dieser Themen- und Gruppenfindungs-Veranstaltung, indem MINTor Tobias Held den MINTees Informationen zum Schreiben einer Projektarbeit gegeben hat.  

(Text: Julia Förster; Foto: MINToringSi)

Neue Autoteile mit weniger Energieverbrauch produzieren

Der Lehrstuhl für Fahrzeugleichtbau der Universität Siegen entwickelt zusammen mit Industriepartnern ein neuartiges Fertigungsverfahren für Autobauteile. Im Vergleich zur herkömmlichen Produktion reduziert das Hybridpressen den CO²-Ausstoß um bis zu 47 Prozent.

In modernen Autos werden zunehmend so genannte Hybridbauteile eingesetzt. Sie bestehen teilweise aus Metall und teilweise aus Kunststoff und reduzieren das Gewicht und den Materialverbrauch. Sowohl die Produktion als auch die Nutzung der Fahrzeuge schonen somit Rohstoffe und das Klima. Fahrzeugbauer der Universität Siegen haben bereits vor einigen Jahren ein neuartiges Fertigungsverfahren entwickelt, das die bisherigen drei Arbeitsschritte zu einem einzigen zusammenführt. Die Umformung des Metalls (Schritt 1), die Formgebung des Kunststoffs (Schritt 2) sowie die Verbindung beider Komponenten durch einen chemischen Klebstoff (Schritt 3) erfolgen zeitgleich in einer Presse. Gemeinsam mit verschiedenen Industriepartnern möchten die Wissenschaftler dieses sogenannte „Hybridpressen“ in den kommenden drei Jahren nun weiterentwickeln. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) fördert das gerade gestartete Projekt mit 2,5 Millionen Euro, von denen 520.000 Euro an die Uni Siegen gehen.

„Durch das Zusammenführen mehrerer Fertigungsschritte verbraucht unser Verfahren deutlich weniger Energie, was angesichts steigender Energiepreise natürlich ein entscheidender Faktor ist. Damit einhergehend sinkt die CO²-Emission. Wir haben ausgerechnet, dass sie sich gegenüber dem herkömmlichen Verfahren um bis zu 47 Prozent verringert“, sagt Projektleiter Prof. Dr. Xiangfan Fang vom Siegener Lehrstuhl für Fahrzeugleichtbau. Sein Ziel ist es, das Hybridpressen in den kommenden Jahren so weit zu verbessern, dass es in der Serienproduktion eingesetzt werden kann. Dazu arbeiten er und sein Team mit verschiedenen Unternehmen zusammen: Darunter zwei Automobilzulieferer, ein Werkzeug- und ein Kunststoffhersteller sowie ein Chemie- und ein Stahlkonzern. Darüber hinaus sind die Autohersteller Audi und Ford als begleitende Partner an dem Projekt beteiligt.

Am Beispiel von zwei konkreten Autobauteilen soll das Verfahren zur Marktreife gebracht werden: Eine hybride B-Säule und ein Federbeinlager, das ebenfalls teils aus Metall und teils aus Kunststoff besteht, wollen die Projektpartner mit dem Hybrid-Pressverfahren fehlerfrei herstellen. „Metall und Kunststoff haben sehr unterschiedliche Eigenschaften. Will man beide Materialien in einer einzigen Produktionslinie zu einem Bauteil verarbeiten, muss man deshalb besonders darauf achten, dass im Produkt keine Fehler entstehen und die Stabilität hoch bleibt“, erklärt Prof. Fang.

Um das zu garantieren, möchten er und sein Team das Hybridpressen im Rahmen des aktuellen Projektes noch verfeinern: Wurden das Stahlblech und der Kunststoff bisher simultan in einem gemeinsamen Werkzeug um- bzw. urgeformt und miteinander verbunden, so soll das „neue“ Pressverfahren nun zweistufig arbeiten, erklärt Prof. Fang: „Um eine höhere Produktqualität zu erzielen, führen wir die Metall-Umformung separat durch. Das fertig geformte Blechteil wird dann in Stufe zwei mit dem erwärmten Kunststoff zusammengebracht, der Kunststoff wird dabei gleichzeitig geformt und mit dem Blechteil verbunden.“ Der Clou: Beide Stufen erfolgen innerhalb eines einzigen Pressvorgangs. Die Energie für die Presse muss also nach wie vor nur einmal aufgewendet werden, Energieverbrauch und CO²-Ausstoß bleiben entsprechend gering.

Das Interesse an dem neuen Verfahren seitens der Industrie dürfte angesichts des rasanten Anstiegs der Energiekosten noch steigen. Zum Einsatz kommen kann es – wenn alles nach Plan läuft – in einigen Jahren: Das aktuelle Forschungsprojekt ist auf drei Jahre angelegt, wird es erfolgreich abgeschlossen, schließt sich die Vorentwicklung seitens der Automobilzulieferer an. „Wir hoffen, dass das Verfahren nach diesen Schritten freigegeben wird. Es wäre ein toller Erfolg, wenn eine Siegener Entwicklung künftig in der Serienproduktion von Autoteilen eingesetzt würde“, sagt Prof. Fang.

Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Xiangfan Fang (Lehrstuhl für Fahrzeugleichtbau der Universität Siegen)
Tel.: 0271 740-4670
E-Mail: Xiangfan.fang@uni-siegen.de

Mathe anders machen

Fünf weitere Schulen in den Kreisen Siegen-Wittgenstein und Olpe nehmen derzeit am Projekt DigiMath4Edu teil. Die Universität Siegen begleitet und erforscht dabei die digitalen Möglichkeiten für den Mathematikunterricht.

Tablet und Tafelbild? Lego-Roboter und Würfel? 3-D Stift und Zirkelkasten? Geht das im Mathematikunterricht und das auch schon in den ersten Klassen? Es geht. Zum Beispiel in der Marienschule Helden (Kreis Olpe). Seit Februar nimmt die Grundschule am Projekt DigiMath4Edu teil, einem innovativen Projekt der Fachgruppe für Mathematikdidaktik an der Universität Siegen. Ziel ist es, die Kompetenzen im Umgang mit digitalen Medien beispielhaft an Schulen in Siegen-Wittgenstein und dem Kreis Olpe aufzubauen und weiterzuentwickeln. Insgesamt 15 Schulen machen mit. Im zweiten Durchgang sind neben der Marienschule, die Pestalozzi Förderschule Siegen, die Ganztagshauptschule Achenbach, das Städtische Gymnasium Olpe und das Gymnasium Maria Königin Lennestadt mit dabei.

Die teilnehmenden Schulen im zweiten Durchgang und ihre Projekte wurden bei einem Sommerfest von DigiMath4Edu im Hörsaalzentrum am Campus Unteres Schloss vorgestellt und erhielten eine Auszeichnung. Alle Schulen haben ihre Klassenzimmer geöffnet: für neue Technik wie 3D-Drucker, Tablets oder Virtual-Reality-Brillen (VR), für neue Unterrichtsansätze, aber auch für Assistentinnen und Assistenten von der Universität: Lehramtsstudierende, die speziell für diese Aufgabe ausgebildet werden, begleiten die Projektarbeit vor Ort, unterstützen die Lehrerinnen und Lehrer und sammeln gleichzeitig praktische Erfahrungen.

Es ist das Konkrete, das Erfahrbare, das Beispielhafte, das DigiMath4Edu für alle Beteiligten so außergewöhnlich macht. „Forschung, Lernen und Berufsorientierung gehen hier Hand in Hand“, sagte Prof. Dr. Ingo Witzke, Mathematikdidaktiker an der Universität Siegen und Projektleiter. Er lobt die gute Zusammenarbeit aller Beteiligten. Neben der Universität und den Schulen gehören das Schul- und das Wissenschaftsministerium NRW, die Bezirksregierung Arnsberg, die politischen Unterstützerinnen und Unterstützer auf Landesebene, zahlreiche Unternehmen aus der Region sowie die Sparkassen, die Industrie- und Handelskammer (IHK) und die Arbeitgeberverbände dazu.

Dr. Frederic Dilling, wissenschaftlicher Mitarbeiter bei DigiMath4Edu, beschrieb an ein konkretes Beispiel.  SchülerInnen im Mathe-Unterricht konstruieren ein Verbindungsrohr, das ein Unternehmen im Produktionsprozess einsetzen will. Sie zeichnen, berechnen und erstellen mit Hilfe eines 3-D-Druckers ein Modell und können sich anschließend in dem Unternehmen ansehen, wofür das Rohrstück in der Praxis benötigt wird. Das schlägt jede noch so lebensnah formulierte Textaufgabe.

„Wir erleben eine Arbeitswelt, wo jeder über digitalen Kompetenzen verfügen muss“, betonte Prof. Dr. Alexandra Nonnenmacher, Prorektorin für Bildung an der Universität Siegen. „Wir müssen uns deshalb überlegen, wie wir Schülerinnen und Schüler darauf vorbereiten, und wie wir es schaffen dabei alle mitzunehmen.“ Dazu brauche es Lehrerinnen und Lehrer, die das können. „DigiMath4Edu leistet dazu einen wichtigen Beitrag.“

Bei DigiMath4Edu können viele „kleinen Einheiten“ gemeinsam erfolgreich Ideen entwickeln, meinte Dr. Stefan Werth von der Bezirksregierung Arnsberg. Auch die Behörde könne ihren Part dazu beitragen, indem sie unter anderem für Rechtssicherheit in dem Projekt sorge.

Der NRW-Landtagsabgeordnete Jochen Ritter (CDU) aus dem Kreis Olpe begleitet das Projekt von Beginn an und nahm die Gelegenheit war, um die zukunftsweisenden Lernsettings von DigiMath4Edu zu loben.

Als LaudatorInnen für die ausgezeichneten Schulen waren neben Jochen Ritter, Peter Weber, Bürgermeister der Stadt Olpe, Angela Jung, stellvertretende Bürgermeisterin der Stadt Siegen, sowie Georg Hippler in Vertretung für den Bürgermeister der Stadt Attendorn, vor Ort.

Am ersten Durchgang von DigiMath4Edu im vergangenen Jahr hatten das Rivius Gymnasium, Attendorn, die Sekundarschule Olpe/Drolshagen, die Bertha-von-Suttner-Gesamtschule Siegen, die Jung-Stilling-Grundschule Siegen und das Gymnasium der Stadt Lennestadt teilgenommen. Mehr als 20 Unterrichtsentwürfe aus dem ersten Projektjahr sind bereits im Buch „DigiMath4Edu, Bd. 1“ zusammengefasst und werden zeitnah im Universitätsverlag Siegen (universi) veröffentlicht. Prof. Witzke freute sich, an die Vertreterinnen und Vertreter der Teilnehmer-Schulen vorab einige Exemplare verteilen zu können.

Einzelne Schulprojekt und Start-Ups wurden im Foyer des Hörsaalzentrums vorgestellt.

Das Projekt DigiMath4Edu hat eine Laufzeit von drei Jahren. Im Rahmen der Südwestfalen-Regionale 2025 hat „DigiMath4Edu“ bereits drei Sterne erhalten und wird gefördert.

Am E-Auto lernen

Die Universität Siegen bekommt ein Elektro-Schulungsfahrzeug, damit angehende Lehrkräfte an Berufskollegs Unterrichtkonzepte entwickeln können, die für Kfz-MechatronikerInnen auf dem neusten Stand der Technik sind.

E-Autos verändern die Ausbildung von Kfz-MechatronikerInnen in Theorie und Praxis. Das stellt auch die Lehrkräfte an den Berufskollegs vor neue Herausforderungen. Im Projekt Diakom-E arbeitet die Universität Siegen an neuen Lernsettings mit.  Das vom Bundesinstitut für Berufsbildung (BIBB) geförderte Projekt in Kooperation mit der Handwerkskammer Bremen hat das Ziel, die Diagnosekompetenz von Kfz-MechatronikerInnen für Elektrofahrzeuge im Rahmen von überbetrieblichen Ausbildungsmodulen zu stärken. Die Audi AG und das Audi Zentrum Siegen haben mit einer Spende die Anschaffung eines Schulungsfahrzeugs ermöglicht. Das vollelektrische Auto steht nun an der Universität Siegen für die Ausbildung von Lehrkräften für gewerblich-technische Berufskollegs zur Verfügung.

„Wir können damit für unsere Studierenden direkt am realen Objekt Studienprojekte realisieren, die darauf abzielen, typische Kundenbeanstandungen und Fehler am Fahrzeug unterrichtlich selbst zu simulieren“, erklärt Prof. Dr. Ralph Dreher, Leiter des Lehrgebiets „Technikdidaktik am Berufskolleg“ (TVD) der Universität Siegen. Darauf aufbauend könnten dann bundesweit transferierbare Unterrichtskonzepte für die Erst- wie für die Weiterbildung entwickelt werden. „Wichtig ist dabei, dass durch die jetzt mögliche direkte Theorie-Praxis-Verzahnung Unterrichtsformen nach dem Prinzip ganzheitlicher beruflicher Handlung von der Auftragsannahme bis zur Qualitätssicherung von den Studierenden selbst entwickelt und erprobt werden können.“

Das Fahrzeug, ein Audi e-tron, ist im serienmäßigen Auslieferungszustand. „Und wir werden zusätzlich dadurch unterstützt, dass uns die entsprechenden Diagnose- und Instandsetzungsinformationen elektronisch zur Verfügung gestellt werden“, betont Jens Jüngst, der Werkstattleiter am TVD. „In Kombination mit unserer bereits vorhandenen überdurchschnittlichen Werkstattausrüstung, die durch den Aufbau des Lehrgebiets als Stiftungsprofessur der hiesigen Wirtschaft möglich wurde, können so absolut praxisnahe Unterrichtsvorhaben entwickelt werden – für die Studierenden ein echter Gewinn, weil nun direkt am Lehrgegenstand geplant werden kann.“

Mit dem E-Auto findet ein fundamentaler Wandel in der Werkstattarbeit statt, der zu veränderten Lerninhalten in der beruflichen Bildung führen muss. Für Jost Schneider, Geschäftsführer des Audi Zentrums Siegen, ist deshalb wichtig: „Die zu leistenden Service- und Instandsetzungsarbeiten wandeln sich fundamental und wir freuen uns, wenn Lehrkräfte solche Situationen nunmehr bereits in ihrem Studium direkt unterrichtlich aufarbeiten können.“

Andreas Kirchner, Vertreter der Audi AG, ergänzt bei der Fahrzeugübergabe: „Natürlich ist der Ausbau der Ladekapazität für E-Fahrzeuge das beherrschende Thema, um den Wandelprozess hin zur E-Mobilität erfolgreich bewältigen zu können. Genauso brauchen wir aber auch die Weiterentwicklung der Kompetenzen des Servicepersonals. Hier unterstützen wir als Audi AG deshalb gern Entwicklungen wie am TVD der Universität Siegen, um zukünftige Lehrkräfte auf diese neuen Unterrichtsinhalte und -formen vorzubereiten.“