Fünf CEAT-Forscher erhalten NSF CAREER Awards

Montag, 25. September 2023

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Das College of Engineering, Architecture and Technology der Oklahoma State University ist seit jeher die Heimat von Forschern und Innovatoren, die Lösungen für einige der größten Herausforderungen der Welt liefern.

Diese Forscher haben Anerkennung und Unterstützung von prominenten Organisationen wie der National Science Foundation (NSF) erhalten. Allerdings gab es im Jahr 2023 eine Rekordzahl von fünf CEAT-Empfängern der NSF-Auszeichnungen des Faculty Early Career Development Program (CAREER).

Der CAREER Award bietet die prestigeträchtigsten Auszeichnungen der NSF zur Unterstützung von Nachwuchswissenschaftlern, die als akademische Vorbilder in Forschung und Lehre dienen und Fortschritte in der Mission ihrer Abteilung oder Organisation vorantreiben können.

Dr. Aurelie Azoug wurde von der NSF mit einem Early CAREER Award in Höhe von fast 600.000 US-Dollar ausgezeichnet, um Forschung im Bereich der Dissipationsmechanismen in intelligenten Elastomeren durchzuführen.

Diese Forschung ermöglicht es Azoug, einem Assistenzprofessor an der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, die Mechanismen, die zur Energiedissipation intelligenter Elastomere führen, besser zu verstehen und diese Mechanismen so für zukünftige Anwendungen besser zu steuern.

„Diese Auszeichnung ist eine große Bestätigung“, sagte Azug. „Es ist eine Anerkennung, die sagt: ‚Hey, Sie leisten gute Wissenschaft und wir möchten, dass Sie diesen Weg fortsetzen und sehen, wohin Sie diese Forschung bringen können.‘“

Diese Flüssigkristallelastomere sind so konstruiert, dass sie zwar eine hochorganisierte Struktur auf molekularer Ebene aufweisen, aber ein weiches und dehnbares Verhalten beibehalten, was eine größere Vielfalt an Anwendungen ermöglicht. Sie sind außerdem intelligent, das heißt, sie reagieren auf Veränderungen in ihrer Umgebung, etwa auf thermische oder mechanische Veränderungen.

Die Forschung zu intelligenten Elastomeren ist relativ neu und konzentriert sich hauptsächlich auf die Herstellung dieser Materialien, sowohl aus chemischer als auch aus physikalischer Sicht. Die Eigenschaften dieser Materialien und die sekundären Eigenschaften, die für Forscher und Verbraucher von Nutzen sein könnten, wurden bislang kaum erforscht.

Aufgrund der organisierten Struktur kommt es bei der Verformung zu einem Energieverlust innerhalb des Materials. Diese Dissipationsmechanismen könnten die Leistung von Dämpfern, die zur Reduzierung von Vibrationen oder Lärm eingesetzt werden, erheblich verbessern. Wenn Forscher besser verstehen würden, wie diese Verluste entstehen, könnten sie ihre Konstruktion besser auf bestimmte Zwecke beschränken.

„Das ist die Prämisse dieses Vorschlags“, sagte Azoug. „Können wir genau verstehen, was bei bestimmten Umwelt- oder mechanischen Veränderungen im Material passiert? Wenn ja, können wir diese Informationen dann nutzen, um diese Eigenschaften anzuwenden, wenn wir möchten, dass diese Verlustmechanismen auftreten, und nicht.“

Azoug wird auch die Methoden untersuchen, mit denen diese Materialien während des Aushärtungsprozesses physikalisch verfestigt werden. Derzeit werden viele Elastomere mithilfe von UV-Lichtquellen ausgehärtet, da dies die schnellste und am besten kontrollierbare Aushärtungsmethode ist. Azoug und ihr Team möchten untersuchen, wie die Aushärtung optimiert werden kann, und feststellen, ob Aushärtungsparameter bei der Entscheidung über einige der Dissipationseigenschaften dieser Materialien eine Rolle spielen könnten.

Sie glaubt, dass diese intelligenten Elastomere durch das Verständnis dieser Verhaltensweisen auf molekularer Ebene in Verbundwerkstoffen für Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie Energiegewinnung, Gesundheitswesen und Soft-Robotik eingesetzt werden könnten.

„Ein perfektes Anwendungsbeispiel wäre die Verwendung dieser Materialien bei der Herstellung vibrationsdämpfender Materialien für den Einsatz in einem Football-Helm“, sagte Azoug. „Wenn wir ein Elastomer identifizieren können, das Stöße sehr effizient dämpft, könnten wir ein neues Verbundmaterial herstellen, das die Innenseite eines Football-Helms auskleidet und bei geringeren Kosten einen größeren Einfluss auf die Gesundheit von Sportlern hat.“

Der NSF CAREER Award erfordert außerdem eine Bildungskomponente für jeden Vorschlag, und Azougs Schwerpunkt ist einer, der ihr zutiefst am Herzen liegt: junge Frauen vom Kindergarten bis zur Oberschule an MINT-Fächer heranzuführen.

Die Forscherin und ihr Team planen, die von ihnen bereits durchgeführten Outreach-Aktivitäten weiterzuentwickeln, beispielsweise eine Einführung in die Soft-Robotik mithilfe bemerkenswert einfacher Soft-Roboter aus Elastomer, die Schüler durch Codierung manipulieren und steuern können.

„Ich glaube, dass es für diese jungen Frauen von größter Bedeutung ist, mit diesen Bereichen der Wissenschaft in Berührung zu kommen und von weiblichen Ingenieuren und Wissenschaftlern unterrichtet zu werden“, sagte Azoug. „Ich möchte, dass Mädchen die Möglichkeit haben, den Erfolg einer Frau zu erleben und eine Karriere im Ingenieurwesen einzuschlagen. Ich möchte, dass sie wissen, dass es in Ordnung ist, diese Art von Karriere anzustreben, und dass sie es auch können.“

Die Oklahoma State University wird weiterhin ein Innovator in der Kommunikation der nächsten Generation sein, unter anderem dank eines Faculty Early CAREER Award der NSF, der an Dr. John O'Hara, einen Assistenzprofessor an der School of Electrical and Computer Engineering, verliehen wurde.

O'Hara wird nach Lösungen für verschiedene Herausforderungen im Zusammenhang mit dem drahtlosen Backhaul für die drahtlose 6G-Kommunikation suchen. Backhaul bezieht sich auf eine Verbindung mit großer Bandbreite, meist Glasfaser, die riesige Datenmengen von zahlreichen drahtlosen und statischen Kommunikationsstandorten zu einem Kernnetzwerk überträgt.

„Stellen Sie es sich wie ein großes Rohr vor, das viele kleinere Rohre zu einer großen Sammelstelle verbindet“, sagte O'Hara. „Die 6G-Kommunikation der nächsten Generation wird wahrscheinlich Datenübertragungsraten von bis zu 1 Terabyte pro Sekunde haben, und wir verfügen nicht über das System, um diese Datenmengen drahtlos zu übertragen.“

O'Hara und sein Team entwickeln ein System, das Terahertz-Wellen als Vehikel für die Datenübertragung nutzt. Terahertz-Wellen können große Datenmengen übertragen, verhalten sich jedoch ähnlich wie ein Laser und unterliegen daher einigen der gleichen Herausforderungen wie Laser.

Die Ausrichtung ist ein großes Problem bei Lasern und ein unbekannter Faktor bei der Terahertz-Übertragung. Wenn sich das Signal oder der Empfänger um einen Bruchteil eines Grads verschiebt, führt dies dann zu einem vollständigen Signalverlust? Wenn ja, welche Lösungen sind am praktischsten?

Das Team plant, intelligente reflektierende Oberflächen als multifunktionale Strahlsteuerung einzusetzen. Die Kombination von Terahertz und intelligenten Reflektoren ermöglicht die Übertragung drahtloser Signale mit hoher Bandbreite und überwindet gleichzeitig die Schwierigkeiten, die mit der Verwendung von Terahertz-Wellen in einer unkontrollierten Umgebung verbunden sind.

Auch wenn es nach einer einfachen Lösung klingt, erfordern die Herausforderungen, denen sich das Team stellen muss, die Entwicklung innovativer Technologien und wissenschaftlicher Erkenntnisse, um sie zu lösen. Wellenschwankungen, Umgebungsvariablen und Datenverlust während der Übertragung sind nur einige Herausforderungen, denen das Team begegnen wird.

„Terahertz und die Kommunikation der nächsten Generation haben eine ziemlich klar definierte Vision“, sagte O'Hara. „Aber bisher gab es noch nicht viele Demonstrationen. Diese nächste Generation der drahtlosen Kommunikationstechnologie steckt noch in den Kinderschuhen. Es ist wie ein Elefantenbaby, es mag ein Baby sein, aber es ist ein großes Baby und es erfordert viel Mühe, es zu zähmen.“

Das Forschungsteam hat bereits damit begonnen, mit der Datenübertragung im Freien zu experimentieren. Bisher konnten sie Daten über eine Strecke von 182 Metern senden und streben für ihren nächsten Meilenstein eine Distanz von über einem Kilometer an.

Ziel ist es, ein ultrahochauflösendes Video drahtlos zu übertragen, das über Glasfaserkabel an das Terahertz-Rundfunksystem geliefert wird; Empfangen Sie es über große Entfernungen durch atmosphärische Bedingungen; und wandeln Sie es dann zur Anzeige wieder in ein Glasfaserkabel um.

Im Erfolgsfall wird dies als Proof-of-Concept-Grundlage für drahtlose 6G-Kommunikationssysteme dienen, neue Konzepte für intelligente reflektierende Oberflächen demonstrieren und die neuen wissenschaftlichen Erkenntnisse offenlegen, die solche Systeme steuern.

„Eine Distanz von 182 Metern scheint nicht viel zu sein“, sagte O'Hara. „Aber das hat uns unschätzbare Daten und Erfahrungen beschert, die wir bei der Vergrößerung der Entfernung zwischen Sende- und Empfangspunkten nutzen können.“

O'Hara und sein Team sind sich auch der erheblichen gesellschaftlichen Auswirkungen bewusst, die die Kommunikation der nächsten Generation haben wird, insbesondere in ländlichen Gemeinden, die möglicherweise nicht über die entsprechende Bandbreite verfügen.

Obwohl O'Hara ein angesehener Forscher ist, schätzt er die Anerkennung des NSF CAREER Award und führt seinen Erfolg auf ein erstaunliches Unterstützungssystem und einen Hauch von Zufall zurück.

„Ich nenne es Glück“, sagte O'Hara. „Ich hatte das große Glück, von enormer Unterstützung und großartigen Kollegen umgeben zu sein, und es ist ein bisschen ein Zufall, einfach zur richtigen Zeit am richtigen Ort zu sein und die Chancen zu nutzen, die sich einem bieten.“

Dr. Marimuthu Andiappan, Assistenzprofessor an der School of Chemical Engineering, hat von der NSF einen Early CAREER Award für seine Forschung zu Kohlenstoff-Kohlenstoff- und Kohlenstoff-Stickstoff-Kreuzkupplungsreaktionen erhalten.

Diese Arten von Reaktionen sind in der chemischen und pharmazeutischen Industrie zur Herstellung konjugierter Polymere, Agrochemikalien und Pharmazeutika wie Tylenol und Ibuprofen weit verbreitet.

Aktuelle Technologie- und Industrieprozesse verwenden jedoch teure, seltene Katalysatoren auf Palladiumbasis und erfordern Hochtemperatur- und Atmosphärendruckbedingungen, um die beabsichtigten Ergebnisse zu erzielen. Bei diesen Verfahren entsteht auch eine große Menge an Abfall, bevor das Produkt gewonnen wird, und zwar in Höhe von 25 bis 100 Kilogramm Abfall pro Kilogramm gewonnenem Produkt.

Der Fokus von Andiappan und seinem Team ist dreigleisig: Ersetzen der teuren und seltenen Palladiumkatalysatoren durch kostengünstige, auf der Erde reichlich vorhandene Photokatalysatoren auf Kupfer- oder Eisenbasis. Aufgrund neuer Photokatalysatoren wären für die Reaktionen keine hohen Hitze- oder Atmosphärendruckbedingungen erforderlich und sie würden auf einfache LED-Leuchten angewiesen sein, die sichtbares Licht erzeugen. Schließlich ermöglicht der Einsatz dieser heterogenen Photokatalysatoren, dass die Reaktion und Gewinnung des Produkts in einer einzigen Fluidkammer stattfindet und macht die derzeitigen Prozesse zur Trennung des Produkts vom Katalysator überflüssig.

„Die drei Schritte in diesem Vorschlag würden es uns ermöglichen, den CO2-Fußabdruck dieser kritischen Prozesse zu minimieren oder zu vermeiden“, sagte Andiappan. „Irgendwann hoffen wir, dass diese Prozesse Netto-CO2-Null-Prozesse werden.“

Diese Reaktionen beruhen in hohem Maße auf der Nutzung fossiler Brennstoffe und anderer nicht erneuerbarer Energiequellen, um die wichtigen Endprodukte zu erhalten. Die vorgeschlagenen Änderungen ermöglichen es den Ingenieuren jedoch, diese Reaktionen mithilfe des bereits vorhandenen Stromnetzes durchzuführen, und sie könnten mit der Erforschung alternativer Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie beginnen.

„Bemühungen wie dieser Vorschlag werden es uns ermöglichen, diese neuen Technologien und Prozesse im erforderlichen Tempo zu entwickeln, sodass wir eine Belegschaft aufbauen können, die auf den Übergang zu einer stärkeren Abhängigkeit von erneuerbaren und nachhaltigen Energiequellen vorbereitet ist“, sagte Andiappan.

Bei den derzeit in der Industrie eingesetzten Prozessen handelt es sich um dieselben Prozesse, die seit Jahrzehnten angewendet werden und auch künftigen Ingenieuren und Wissenschaftlern in den Klassenzimmern beigebracht werden. Im Rahmen seiner Auszeichnung hofft Andiappan, dies zu ändern, indem er seine Forschung über einen neuen Wahlfachkurs für Studierende des CEAT und anderer interessierter Abteilungen auf dem gesamten Campus in den Lehrplan der OSU integriert.

„Wenn wir einen neuen Kurs, der sich auf diese neuen Prozesse und Technologien konzentriert, in unseren Lehrplan integrieren würden, würden OSU-Studenten mit wettbewerbsfähigeren und umfassenderen Fähigkeiten abschließen als vielleicht ein Student einer anderen Universität“, sagte Andiappan. „Auf diese Weise können wir mehr qualifizierte Ingenieure und Wissenschaftler für den Bundesstaat Oklahoma und die gesamten USA bereitstellen.“

Während er und sein Team die nächsten Schritte ihrer Forschung in Angriff nehmen, dachte Andiappan über den Meilenstein der Verleihung eines NSF Early CAREER Award nach.

„Es ist eine erstaunliche Anerkennung, die wir erhalten. Es ist ein tolles Gefühl, dass unsere Forschung von unseren Kollegen und nationalen Agenturen wie der National Science Foundation anerkannt wird“, sagte Andiappan. „Es hat mir und meinen Studenten viel Selbstvertrauen gegeben, diese erstaunliche Forschung voranzutreiben und fortzusetzen.“

Dr. Nicoletta Fala, Assistenzprofessorin für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der OSU, hat von der NSF einen Early CAREER Award für ihre Forschung zum Einsatz virtueller Realität in der Flugsimulation erhalten, um die Forschung und den positiven Kompetenztransfer bei der verbesserten Flugausbildung voranzutreiben und zu fördern.

Der Forscher des College of Engineering, Architecture and Technology ist davon überzeugt, dass die Standard-Flugausbildung und -Forschung durch den Einsatz von VR-Flugsimulationshardware und -softwareanwendungen erweitert und weiterentwickelt werden könnte, was erhebliche Auswirkungen auf die Bewältigung des weltweit anhaltenden Pilotenmangels haben könnte.

„Wenn wir über die richtige Virtual-Reality-Software und das richtige Lehrplandesign verfügen, könnten wir dies nutzen, um die Fähigkeiten und Fertigkeiten der Piloten aufrechtzuerhalten und so die Ausbildungskosten und Hindernisse für den Einstieg in die flugbezogene Forschung sowie Unfälle aufgrund von Ausbildungslücken zu reduzieren.“ “, sagte Fala.

Sie ist davon überzeugt, dass zwar nicht alle Fähigkeiten durch VR-Training erlernt werden können, es aber eine Fülle wichtiger Flugfähigkeiten gibt, die zunächst in Umgebungen außerhalb von echten Flugzeugen und herkömmlichen Flugsimulatoren eingeführt und trainiert werden könnten.

„Aktuelles Flugtraining und simuliertes Flugtraining erfordern Ressourcen, die sowohl teuer sind als auch einen großen und spezifischen Platzbedarf für den Betrieb erfordern“, sagte Fala. „Wenn sich jedoch herausstellt, dass ein VR-Trainingssimulator genauso effektiv ist wie herkömmliche Lehrmethoden, könnten wir die Kosten für die Ausbildung sowohl neuer als auch aktueller Piloten erheblich senken.“

Fala geht davon aus, dass Flugfähigkeiten, die im Gegensatz zu Bewegungstreue mehr visuelle Wiedergabetreue erfordern, an eine VR-Umgebung angepasst werden könnten. Während eines vorläufigen Experiments bemerkte sie, dass ihre Forschungsstudenten in einer herkömmlichen Flugsimulatorumgebung Probleme hatten, als sie gebeten wurden, ein „Umdrehen um einen Punkt“-Manöver durchzuführen – mit dem Studenten lernen sollten, den Wind in ihren Steuereingaben zu berücksichtigen, wenn sie einen stationären Punkt umkreisen aufgrund eines fehlenden Sichtfeldes. Wenn die Schüler jedoch gebeten wurden, das gleiche Manöver in einer VR-Umgebung durchzuführen, konnten sie die Aufgabe leichter lösen, da VR den Benutzern eine 360-Grad-Ansicht bieten kann.

Während diese besondere Aufgabe als „Gewinn“ für die VR-Umgebung angesehen wurde, haben Fala und ihr Team Herausforderungen identifiziert, denen Studenten, Ausbilder und aktuelle Piloten mit diesem neuen Simulationsansatz begegnen könnten. Die Interaktion zwischen Piloten, sei es mit einem Ausbilder oder mit der Avionik, wird in einer VR-Umgebung vor Herausforderungen stehen.

„Um dieses Projekt zum Erfolg zu führen, müssen wir uns zunächst auf die Bewältigung der von uns identifizierten Herausforderungen konzentrieren, beispielsweise auf die Entwicklung einer Möglichkeit, die Interaktionen zwischen Schülern und Lehrern und die Kommunikation in der Schulungsumgebung zu bewältigen“, sagte Fala. „Außerdem verfügen viele moderne Flugzeuge über digitale Avionik, die für den Betrieb die Interaktion und Eingabe des Piloten erfordert, was in einer virtuellen Umgebung schwieriger zu reproduzieren sein kann.“

Der NSF CAREER Award wird es Fala und ihrem Team ermöglichen, die aufgetretenen Herausforderungen und Fragen zu meistern und zu beantworten und gleichzeitig eine praktikable Möglichkeit für neue und aktuelle Piloten zu schaffen und zu entwickeln, ihre Ausbildung zu verbessern. Dadurch wird es einfacher, die Pilotenpopulation zu vergrößern und wiederkehrende Schulungen kosten- und zeiteffizienter zu gestalten.

„Diese Auszeichnung zu erhalten, war ein Ziel von mir, seit ich Doktorand war und mein eigener Berater einen CAREER-Award erhielt“, sagte Fala. „Ich bin begeistert von allen Komponenten des Projekts: Bildung, Forschung und Umsetzung, daher schien es, als wäre es wie für mich gemacht.“ Es ist schön, jemanden zu haben, der an Ihre Arbeit glaubt. Es ist einfach, eine Idee zu formulieren und zu glauben, dass sie in Ihrem eigenen Silo eine gute Idee ist, aber auch die Anerkennung Ihrer Kollegen und anderer im Forschungsbereich übereinstimmender Meinung ist sehr bereichernd.“

Dr. Ritesh Sachan wurde von der NSF mit einem Faculty Early CAREER Award für die Durchführung der ersten Forschung dieser Art zu hochentropischen Legierungsnanopartikeln ausgezeichnet.

Sachan wird in den nächsten fünf Jahren mehr als 500.000 US-Dollar erhalten, um seinen Forschungsvorschlag „Leading to Accelerated Discoveries in High-Throughput Ultrafast Laser-Driven Processing of High Entropy Alloy Nanoparticles“ voranzutreiben, ein Bereich, der größtenteils unentdecktes Gebiet ist.

„Ich fühle mich geehrt, diese Auszeichnung zu erhalten“, sagte Sachan, Assistenzprofessor in der Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik. „Es ist sehr prestigeträchtig und wird von unseren akademischen und wissenschaftlichen Kollegen sehr geschätzt. Es verschafft mir und meiner Forschung viel Sichtbarkeit, was weitere Finanzierungsmöglichkeiten und die Möglichkeit zur Zusammenarbeit mit anderen auf diesem Gebiet ermöglicht.“

Legierungen werden täglich verwendet. Stahl, Messing und Bronze sind Materialien, die hauptsächlich aus zwei oder drei dominanten Materialien bestehen. Sachans Forschung konzentriert sich auf die Bildung und Zusammensetzung von Hochentropielegierungen, die mindestens fünf verschiedene Elemente oder Materialien in unterschiedlichen Prozentsätzen enthalten. Es konnte festgestellt werden, dass diese Legierungen mit hoher Entropie die gleichen oder bessere Eigenschaften aufweisen als einige ihrer reinen oder herkömmlichen Legierungsgegenstücke.

Diese Nanopartikel werden erzeugt, indem ein Laser durch einen dünnen Film jedes Verbundmaterials geschossen wird, wodurch der Film bricht, schrumpft und schließlich Nanopartikel entstehen, die getestet werden können.

Die Hauptanwendung dieser Materialien ist die Katalyse zur Energieerzeugung. Bei diesen Prozessen werden in der Regel teure oder knappe Materialien verwendet, während diese Forschung ein neues Material finden könnte, das genauso effektiv ist, aber aus kostengünstigeren und reichlicheren Elementen besteht.

„Langfristige Kosteneffizienz ist der größte Vorteil“, sagte Sachan. „Der beliebteste Katalysator ist derzeit Platin, das sehr teuer ist. Wenn Sie dies jedoch durch neue Materialien aus Nickel, Kobalt usw. ersetzen können, können Sie möglicherweise immer noch die Wirksamkeit von Platin erzielen, jedoch zu viel geringeren Kosten.“

Allerdings ist das Produkt möglicherweise nicht der einzige bahnbrechende Aspekt von Sachans Forschung. Während die Verwendung lasergesteuerter Produktionsmethoden kein neues Konzept ist, erfordert die Anpassung dieser Methode an die Produktion von Nanopartikeln mit hoher Entropie originelle Ansätze und Methoden, die auf fundierten Produktionsmethoden basieren.

„Wir betreiben Grundlagenforschung“, sagte Sachan. „Neue Materialien sind vielleicht nicht das einzige Produkt dieser Forschung, aber die Methoden und Verfahren, die wir dabei anwenden, könnten diesen Forschungsbereich grundlegend verändern.“

Sachan wird Grundlagenforschung zur neuartigen Nanopartikelzusammensetzung und ihren Vorteilen betreiben und neue Methoden einsetzen, um die Mikrostruktur dieser Nanopartikel zu überprüfen und zu verstehen. Beispielsweise wird er 4D-STEM-Techniken (4D-Rastertransmissionselektronenmikroskopie) in Verbindung mit maschinellem Lernen nutzen, um die strukturellen Eigenschaften dieser Nanopartikel zu identifizieren und zu verstehen.

„Diese Forschung ist super spannend“, sagte Sachan. „Die NSF hat diesen Vorschlag als ‚hohes Risiko, hohe Belohnung‘ bezeichnet, weil wir einer der Ersten sind, die sich in diesen speziellen Forschungsbereich wagen. Aufgrund der Unbekannten ist es sowohl aufregend als auch einschüchternd.“

Auch wenn das Ergebnis der Forschung unbekannt ist, bleibt der Forscher von den vor ihm liegenden Herausforderungen unbeeindruckt.

„Es ist aufregend, weil wir einen Weg nach vorne haben“, sagte Sachan. „Wir wissen, welche Schritte wir unternehmen werden. Ob es erfolgreich ist oder nicht, bleibt abzuwarten, aber es wird eine interessante Reise.“

Fotos: Gary Lawson

Geschichte von: Jeff Hopper | IMPACT Magazin