Perspektiven_01_Feb2019

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Auf der Flucht Der Schattenriss eines Meeres- bewohners hebt sich tiefschwarz gegen die vereiste Wasserober- ﬂäche ab. Kein Hai, sondern ein Polardorsch zieht auf unserem Wissenschaftsbild seine Bahn. Hier unter dem arktischen Meereis ﬁndet er ideale Bedingungen, um sich zu vermehren. Der bis zu 40 Zentimeter lange Fisch laicht bei Wassertemperaturen um den Gefrierpunkt, weil sich die befruchteten Eier beziehungsweise Embryonen bei dieser Temperatur am besten entwickeln. Gelingt es der Menschheit nicht, die Erderwärmung auf 1,5 Grad zu be- grenzen, wird sich der Polardorsch weiter nach Norden zurückziehen. Da er für die Überwinterung auf das Meereis angewiesen ist, bleibt oﬀen, wie sich die Bestände entwickeln, wenn die Eisﬂächen mit dem Klimawandel weiter schrumpfen. Eine Abnahme des Polardorschbestands wäre sicher- lich katastrophal, weil er für viele Tiere in der Arktis eine wichtige Lebensgrundlage ist – für Robben, Seevögel oder auch Wale.  Franziska Roeder www ONLINE Mehr eindrucksvolle Bilder aus der Wissenschaft ﬁnden Sie hier: www.helmholtz.de/ wissenschaftsbild Helmholtz Perspektiven | Winter 2016/17 y a w r o N f o y t i s r e v i n U c i t c r A e h T T I U , g n a g r h a N e n m s a J : d i l i B 3

I N H A LT TITELTHEMA FORSCHUNG weniger sein? Über gesunde Ernährung und unseren Fleischkonsum 08 Darf’s ein bisschen 14 Fleischlos glücklich? Alternativen zu Schnitzel & Co WISSENSCHAFTSBILD 02 Auf der Flucht INFOGRAFIK 06 Diabetes Wie erkennt man Diabetes und wie unterscheiden sich Typ 1 und Typ 2? STANDPUNKTE 24 Brauchen wir eine CO2-Steuer? Zwei Blickwinkel: Markus Groth und Sonja Peterson 30 Künstliche Intelligenz Mensch und Maschine müssen ihr Verhalten beiderseits nachvoll- ziehen können, ﬁndet Samer Schaat PORTRÄT 40 Dörte Rother Meisterin der Enzyme Die schnellste 3D-Tomograﬁe Neues aus der Welt der Helmholtz-Gemeinschaft Resonator-Podcast Open Access & Publikationen 07 Helmholtz extrem 16 Helmholtz kompakt 19 20 Komposter im Orbit 26 Auf der Jagd 31 Nachgefragt 32 Saubere Sache 36 JWD Winzlinge trotzen in einem Satelliten der Schwerkraft und wandeln Urin in Nährstoﬀe um Wie Forscher seltene Erden auf- spüren oder aus Schrott recyceln Warum ist Schnee weiß? Wie Wasserstoff nun im großen Stil nutzbar gemacht werden soll Im Land der gefährlichen Viren EXPERIMENT 43 Kleine Forscher Das Glasauge 08 20 IMPRESSUM Helmholtz Perspektiven Das Forschungsmagazin der Helmholtz-Gemeinschaft perspektiven@helmholtz.de www.helmholtz.de/perspektiven Herausgeber Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V. Büro Berlin, Kommunikation und Außenbeziehungen Eﬀrosyni Chelioti (V.i.S.d.P. Roland Koch) Anna-Louisa-Karsch-Str. 2 · 10178 Berlin Tel. +49 30 206329-57 · Fax +49 30 206329-60 Chefredaktion Annette Doerfel Artdirektion Stephanie Lochmüller, Franziska Roeder Schlussredaktion Andrea Mayer Redaktion Kristine August, Annette Doerfel, Kai Dürfeld, Christian Heinrich, Elena Hungerland, Kilian Kirchgeßner, Lars Klaaßen, Roland Koch, Franziska Roeder, Antonia Roetger, Ulrike Schneeweiß, Isabell Spilker, Martin Trinkaus Bildnachweise Titel/Umschlag: Stephanie Lochmüller (Collage), rawpixel. com/Freepik, akf/Fotolia; S. 4–5: Strannik_fox/Shutter- stock, rawpixel.com/Freepik, DLR/Eastgate Pictures, Damnong Rattanapong/Shutterstock, Sascha Kreklau, Dragos Lucian Birtoiu/Shutterstock, David Ausserhofer; S. 6: Franziska Roeder, MicroOne/Fotolia, ii-graphics/ Fotolia; S. 8–9: Strannik_fox/Shutterstock, rawpixel.com/ Freepik; S.10–11: Audrius Merfeldas/Fotolia; stockcrea- tions/Shutterstock, whitestorm/Fotolia; S.12: photos/ Fotolia; S.13: Rudie/Fotolia, blende11.photo/Fotolia; S.14: www.aspergillus.org.uk, BillionPhotos.com/Fotolia, dule964/Fotolia, Es75/Shutterstock, Trum Ronnarong/ Shutterstock; S. 15: Pixabay, Brad Pict/Fotolia, Dmytro Sukharevskyi/Fotolia, mosa meat; S. 17: photocrew/Foto- lia, Africa Studio/Fotolia; S. 18: Amadeus Bramsiepe/KIT; S. 19: Freepik; S. 21: 1xpert/Fotolia, DLR; S. 22: Pixabay, DLR; S. 24–25, 30: Jindrich Novotny; S. 26–27: Damnong Rattanapong/Shutterstock; S. 27: Frank Rumpenhorst/ dpa; S. 29: Leonid/Fotolia; S. 31: www.aspergillus.org. uk; S. 32: peterschreiber.media/Fotolia; S. 34–35: hop- salka/Fotolia, peterschreiber.media/Fotolia, Infograﬁk: Forschungszentrum Jülich/Seitenplan; S.36–37: Dragos Lucian Birtoiu/Shutterstock; S.38: Verena Meier; S. 41: Sascha Kreklau; S. 43: Tanja Hildebrandt Druck/Vertrieb Druck- und Verlagshaus Zarbock GmbH & Co. KG, Frankfurt a.M. Papier Arctic Volume white ISSN 2197-1579 4 Helmholtz Perspektiven 01/2019

E D I T O R I A L Liebe Leserinnen, liebe Leser, na, halten Sie Ihre guten Vorsätze für 2019 noch ein? Oder sind sie längst vergessen? Nach der Weihnachtsschlemmerei nehmen sich viele vor, gesünder zu essen. Doch wel- che Ernährung ist für den Körper eigentlich ideal? Und wieviel Fleisch darf auf dem Teller landen? Das erfahren Sie in unserer Titel- geschichte „Darf’s ein bisschen weniger sein?“ Um Essen geht es auch am Rande dieser Geschichte: Helmholtz-Forscher haben ein spezielles Kompostierverfahren entwickelt, das zurzeit in einem Satelliten im Orbit kreist und hier Stoﬀkreisläufe schließt, nebenbei Tomaten ernährt und sogar ganz irdische Probleme lösen kann. In die Ferne geht es regelmäßig auch für Gérard Krause. Wir begleiten den Epidemio- logen bei seinen Reisen nach Afrika, wo er versucht, mit modernster Technik die Aus- breitung von Ebola und anderen Krankheiten einzudämmen. Übrigens: Folgen Sie einfach den Icons im Heft und tauchen Sie online noch tiefer ein in die bunte Welt der Forschung. Viel Spaß beim Lesen, Anschauen und Hören! Annette Doerfel Chefredakteurin 26 32 40 36 Abonnement Möchten Sie die Druckausgabe der Helmholtz Perspektiven kostenlos beziehen? Dann schreiben Sie eine Mail an: perspektiven@helmholtz.de Helmholtz Perspektiven 01/2019 5

I N F O G R A F I K Diabetes Rund 7,5 Millionen Deutsche sind an Diabetes erkrankt. Weitere 2 Millionen Betroﬀene sind sich ihrer Erkrankung nicht bewusst. Wie erkennt man die unterschiedlichen Diabetes-Typen und welche Ursachen und Behandlungsmethoden gibt es? TYP 1 TYP 2 • 5 Prozent der Menschen mit Diabetes • meist unter 40 Jahre • eher schlank • Symptome: Müdigkeit, starkes Durst- gefühl, häuﬁger Harndrang, Aceton- geruch im Atem • 95 Prozent der Menschen mit Diabetes • meist über 40 Jahre, zunehmend jüngere Menschen • eher übergewichtig • Symptome: zunächst keine Beschwerden, im späteren Stadium Müdigkeit, Schmerzen und Durchblutungsstörungen an Füßen und Hän- den, schlechte Wundheilung, Sehstörungen URSACHEN Auslöser: Autoimmunerkrankung. Genaue Auslöser nicht bekannt, aber genetische Veranlagung und bestimmte Umweltfaktoren können eine Rolle spielen. Auslöser: in der Regel Übergewicht und Bewegungs- mangel, erbliche Faktoren. Das Immunsystem zerstört die 1 Betazellen der Bauchspeicheldrüse. 1 Die Bauchspeicheldrüse bildet Insulin. 2 Die Bauchspeicheldrüse kann kein Insulin bilden. 2 Das Insulin kann nicht an der Zelle andocken (Insulinresistenz). 3 Die Glukose kann nicht in die Zellen gelangen – der Blutzucker ist erhöht. 3 Die Glukose kann nicht in die Zellen gelangen – der Blutzucker ist erhöht. BEHANDLUNG • lebenslange und regelmäßige Blutzuckerkontrolle und Insulingabe • bislang gibt es keine Heilung • Diät und körperliche Bewegung können Beschwerden eindämmen je nach Schwere Antidiabetika- und Insulingabe • Mit einer deutschlandweiten Kampagne wird zurzeit auf Plakaten über Diabetes Typ 1 informiert, um Risikopatienten zu sensibilisieren. Mehr Informationen: aworldwithout1.de Quellen: Diabetesinformationsdienst München und Deutscher Gesundheitsbericht Diabetes 2019 der Deutschen Diabetes Gesellschaft 6 Helmholtz Perspektiven 01/2019

HELMHOLTZ extrem Die schnellste 3D-Tomograﬁe F O R S C H U N G Schnell gedrehtDie Infrarotlampe (oben) erhitzt die rotierende Probe auf bis zu 800 Grad Celsius. Die Röntgenstrahlen (von links) treﬀen auf die Probe. Die durchgelassenen Strahlen werden von der Spezialoptik (rechts) aufgezeichnet. Bild: HZB Bekannt ist das Prinzip aus der Medizin: Mit 3D- Tomograﬁen können Ärzte jede Schnittebene im Körper anschauen, die dazugehörigen Bilder wer- den aus Röntgendaten oder MRT-Daten errechnet. Doch 3D-Tomograﬁen sind auch für die Material- forschung spannend. Um dynamische Prozesse im Innern von Materialien zu beobachten, brauchen die Wissenschaftler sehr präzise und auch sehr schnelle Aufnahmen. Die bisher schnellsten 3D-Tomograﬁen sind nun an der Röntgenquelle BESSY II gelungen, die das Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) betreibt. Ein Team um Fran- cisco García-Moreno hat dafür einen Drehtisch konstruiert, der sich mit nahezu perfekt konstan- ter Geschwindigkeit um seine Achse dreht. Schon kleinste Varianzen in der Drehgeschwindigkeit oder minimales Spiel in der Drehachse würden es unmöglich machen, aus den Röntgendaten hochaufgelöste 3D-Tomograﬁen zu errechnen. Mit dem speziellen Drehtisch und einer selbst entwickelten, extrem schnellen Spezialoptik schaﬀte es das HZB-Team jedoch, pro Sekunde 25 dreidimensionale Tomograﬁebilder zu erstel- len. Das ist Weltrekord! Als Anwendungsbeispiel untersuchte das Team Granulate aus Aluminiumlegierungen, die beim Erhitzen aufschäumen. Alle 39 Millisekun- den entstand eine komplette 3D-Tomograﬁe. So lässt sich nun der Prozess beim Schäumen genau analysieren. „Wir wollen verstehen, wie sich die Poren in den Körnern bilden und ob sie auch Oberﬂächen erreichen“, erklärt García-Moreno. Das interessiert auch die Industrie: Alukörnchen könnten beim Aufschäumen komplexe Formtei- le bilden, deren Stabilität aber davon abhängt, wie die Körner miteinander verbunden bleiben. Mit der ultraschnellen 3D-Tomograﬁe lässt sich dieses Aufschäumen nun wie unter einer Zeitlupe beobachten. Die Methode wird durch das Team um www ONLINE Alle Ausgaben von HELMHOLTZ extrem unter: www.helmholtz.de/ extrem García-Moreno nun an der Swiss Light Source am Paul Scherrer Institut aufgebaut und weiter verbessert.  Antonia Rötger Helmholtz Perspektiven 01/2019 7

T I T E LT H E M A tapeln wir einige Steaks auf einen Teller, 200 Stück, um genau zu sein. Ein solcher Berg an Steaks würde in manchem Restaurant bis an die Decke reichen. So viel Fleisch isst jeder Deutsche im Schnitt pro Jahr. Genau genommen rund 60 Kilogramm, darin sind natürlich nicht nur Steaks enthalten, sondern auch Wurst, Schinken, Fisch, Geschnetzeltes. Klingt viel, andererseits geht es ja um den Jahres- konsum. Bricht man die Zahl herunter auf eine Woche, kommt man auf knapp 1,2 Kilogramm Fleisch. Das sind in etwa: zwei Steaks, zwei große Packungen Wurst, zwei Portionen Fleischsalat, einmal Geschnetzeltes und ein Hähnchenbrust- ﬁlet. Ist das zu viel? Unproblematisch? > 600g Person /Woche Wer Fleisch isst, sollte nicht mehr als 300 bis 600 Gramm wöchentlich verzehren. Was genau macht das Fleisch in unserem Körper, welche Probleme kann es verursachen? Ist es womöglich der Gesundheit zuträglich, Fleisch zu essen? Oder sollte man bewusst darauf verzichten? Auf diese Fragen ﬁnden Forscher zunehmend ver- lässliche Antworten. So kommt es nicht nur darauf an, wie viel Fleisch man isst, sondern auch darauf, welches Fleisch. Aber bleiben wir zunächst beim Wieviel. Die Deutsche Gesellschaft für Ernährung empﬁehlt: Wer Fleisch isst, sollte nicht mehr als 300 bis 600 Gramm wöchentlich verzehren. „Diese Empfehlungen sind letztlich das Konzentrat aus Fleisch für die Welt 100M n e n n o T n i r h e z r e v h c s i e F l 80M 60M 40M 20M 0M Welt Europa China restliches Asien Nordamerika Afrika Zentral- & Südamerika Indien 1960 1970 1980 1990 2000 2010 1 0 Helmholtz Perspektiven 01/2019 Tausenden Studien zum Thema und entsprechen damit dem aktuellen wissenschaftlichen Kenntnisstand“, sagt Tilman Kühn, Leiter einer Arbeitsgruppe für Ernährungs- epidemiologie am Deutschen Krebsforschungs- zentrum (DKFZ) in Heidelberg. Das ist gerade einmal die Hälfte der aktuell in Deutschland verzehrten Fleischmenge. Während dieser Wert hierzulande in den vergangenen Jahren konstant auf hohem Niveau geblieben ist, wächst die Nachfrage weltweit drastisch: zwischen den Jahren 1990 und 2013 um rund 30 Prozent. Der übermäßige Fleischkonsum ist wegen des Ressourcenverbrauchs nicht nur ökologisch problematisch. Kühn zufolge bringt er auch mehrere gesundheitliche Risiken mit sich: So werden bei der starken Erhitzung von Fleisch gleich mehrere potenziell schädliche Substanzen Auf den Geschmack gekommenVor allem in Asien, Zentral- und Südamerika essen immer mehr Menschen Fleisch. Die Nachfrage hat weltweit zwischen den Jahren 1990 und 2013 um 30 Prozent zugenommen. Quelle: www.fao.org/faostat/en/?#data

Tilman Kühn vom DKFZ hat diese Vermutung vor Kurzem zusammen mit Kollegen in einer größeren Studie untersucht, doch sie konnten keine Zu- sammenhänge zwischen der Konzentration des Eisenspeicherproteins Ferritin im Blut und ver- schiedenen Krebsarten nachweisen. Zu ähnlichen Ergebnissen kommen auch andere Studien. Eine weitere These: Viren und Mikroorganismen aus dem roten Fleisch können im Verdauungstrakt des Menschen Entzündungsprozesse auslösen, die bis hin zu Krebs führen. Kühn hält dies für möglich – doch wissenschaftliche Beweise, dass dies das erhöhte Krebsrisiko durch rotes Fleisch hinreichend erklärt, liegen bislang noch nicht vor. Fest steht: Im Vergleich zu rotem Fleisch scheint weißes Fleisch von Fisch und Geﬂügel in Maßen ein vergleichsweise geringes Gesundheitsrisiko mit sich zu bringen. „Übermäßiger Fleischkonsum kann nachweislich die Entstehung von Herz-Kreislauf-Krankheiten und Diabetes begünstigen.“ Vom Standpunkt einer gesunden Ernährung betrachtet gibt es also eine Art Hierarchie: Idealer- weise sollte gar kein industriell verarbeitetes Fleisch und nur in geringen Mengen rotes Fleisch konsumiert werden. Weißes Fleisch kann in ange- messenen Mengen hingegen bedenkenlos verzehrt werden. Natürlich enthält Fleisch auch Substanzen, die für den Körper wichtig sind; darunter Vitamin B12, Eisen, Selen und Zink. Fisch ist zusätzlich noch reich an Omega-3-Fettsäuren und Jod. Doch Fleisch, selbst unbehandeltes weißes Fleisch, hat eben auch Bestandteile, die für die Gesundheit problematisch sein können. So ist beispiels- weise in der Regel der Fett- und Cholesterinanteil in Fleisch recht hoch. „Übermäßiger Fleisch- konsum kann nachweislich die gebildet, darunter sogenannte heterozyklische Amine und polyzyklische aromatische Kohlenwasser- stoﬀe (PAK), durch Pökeln – also eine Behandlung, die das Fleisch haltbarer macht – entstehen auch Nitrosamine. All diese Substanzen können die Entstehung von Krebserkrankungen begünstigen, vor allem erhöhen sie das Darmkrebsrisiko. Me- thoden wie das Pökeln und das starke Erhitzen kommen besonders bei industriell verarbeitetem Fleisch zum Einsatz, dazu zählen etwa Wurst und Schinken. Entsprechend sind verarbeitete Fleisch- produkte laut Kühn besonders ungesund. Auch sogenanntes rotes Fleisch wie bei- spielsweise von Rind und Schwein scheint dem Körper zuzusetzen, ein erhöhter Verzehr geht mit einem größeren Risiko für die Entstehung von Darmkrebs einher. Warum ausgerechnet rotes Fleisch so problematisch ist, darüber gibt es verschiedene Theorien. Die sogenannte Eisenlast- hypothese stützt sich darauf, dass in rotem Fleisch eine vergleichsweise hohe Menge an Eisen enthal- ten ist. Es wird seit Längerem vermutet, dass hohe Mengen an Eisen im Blut das Krebsrisiko steigern. Helmholtz Perspektiven 01/2019 1 1 1 1

T I T E LT H E M A Entstehung von Herz-Kreislauf-Krankheiten und Diabetes begünstigen“, sagt Hans Hauner, Profes- sor für Ernährungsmedizin und Leiter der klini- schen Kooperationsgruppe „Nutrigenomics und Typ-2-Diabetes mellitus“ zwischen der Techni- schen Universität München und dem Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszent- rum für Gesundheit und Umwelt (HMGU). Darüber hinaus enthält Fleisch auch einiges von einer Sub- stanz namens Arachidonsäure – einer Omega-6- Etwas weniger ist nicht genug 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 m m a r g o l i K n i r h e z r e v h c s i e F l 61,5 59,6 62,8 gesamt 60,6 59,0 schweinefleisch geflügelfleisch Rind-/Kalbfleisch sonstiges fleisch 0 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 1 2 Helmholtz Perspektiven 01/2019 Fettsäure – und ihrer Stoﬀwechselprodukte. „Sie provoziert das Immunsystem, es kann zu einer Entzündungsreaktion kommen, die wiederum für den Körper eine Belastung ist“, sagt Hauner. Diese Entzündungsreaktionen hängen von der Menge an Fleisch und Fleischprodukten ab und werden meist gar nicht bemerkt. Doch sie setzen den Organismus unter Stress. „Wer vollwertig vegetarisch isst, dessen Körper fehlt nichts. Im Ge- genteil, wissenschaftlichen Erkennt- nissen zufolge ist eine vegetarische Ernährung sogar sehr gesund.“ Sollte man sich also vegetarisch ernähren? Laut Kühn lebt ein Vegetarier gesünder als jemand, der größere Mengen Fleisch isst: „Wer vollwertig vegetarisch isst, dessen Körper fehlt nichts. Im Gegenteil, wissenschaftlichen Erkenntnissen zufolge ist eine vegetarische Ernährung sogar sehr gesund.“ Lediglich bei einer veganen Lebensweise, bei der neben Fleisch auch alle anderen tierischen Produkte wie Eier und Milch auf der Verzichtsliste stehen, ist es nötig, einzelne Substanzen wie Vitamin B12 durch Nahrungsergänzungsmittel zu ersetzen. „Beachtet man das, kann auch eine vegane Ernährung gesund sein“, sagt Kühn. In diese Richtung weist ein dem steigenden Fleischkonsum gegenläuﬁger Trend: hin zur vege- tarischen und veganen Lebensweise. Vor allem in Großstädten entstehen vegane Restaurants, in vielen Supermärkten gibt es längst gekenn- zeichnete Regale mit veganen Waren. Die meisten Schwein gehabt?Schweineﬂeisch ist in Deutschland die am meisten verzehrte Fleischart. Seit 2011 geht der Fleischkonsum leicht zurück – um 6,1 Prozent. Quelle: Fleischatlas 2018; AMI

www ONLINE Was bringt Intervallfasten? Mehr dazu unter: www.helmholtz.de/ intervallfasten Menschen bewegen sich wohl irgendwo in der Mitte zwischen einer sehr ﬂeischhaltigen und einer streng veganen Ernährung. Doch es kommt nicht nur beim Fleisch auf die Menge an. Wissen- schaftler konnten wiederholt zeigen, dass eine sogenannte niedrig-kalorische Diät – das bedeutet letztlich nichts anderes, als weniger zu essen – der Gesundheit zuträglich ist und sogar das Leben verlängert. Beim Fasten wird dieses Konzept auf die Spitze getrieben. Der Körper und sein Stoﬀwechsel leiten eine Art Selbstreinigung in die Wege, man entgiftet sich ein Stück weit, Stichwort „Detox“ – so zumindest eine weit verbreitete Meinung. Inwiefern das zutriﬀt, hat Tilman Kühn vom DKFZ in einer Studie untersucht, die vor wenigen Wochen im Fachmagazin „The American Journal of Clinical Nutrition“ erschienen ist. Dabei hat man 150 Probanden in drei Gruppen unterteilt: Ein Drittel ernährte sich zwölf Wochen nach einer herkömmlichen Reduktionsdiät, bei der die Kalo- rienaufnahme um 20 Prozent gesenkt wurde. Eine zweite Gruppe verschrieb sich dem sogenannten Intervallfasten, besser bekannt als 5:2-Diät. Bei der 5:2-Diät fastet man zwei Tage in der Woche. Beide Diäten sind in Deutschland derzeit äußerst populär. Die dritte Gruppe verfolgte als Kontroll- gruppe keinen kalorienreduzierten Ernährungs- plan. Das Ergebnis der Studie: Fasten bringt in Bezug auf Körpergewicht und Stoﬀwechselgesund- heit Vorteile gegenüber einer normalen Ernäh- rung – nicht aber gegenüber einer niedrig-kalo- rischen Diät. „Das Entscheidende scheint für die Gesundheit zu sein, dass man insgesamt weniger isst. Ob man nun in einem bestimmten Zeitraum gar nichts isst oder einfach insgesamt weniger, spielt dabei oﬀenbar keine wesentliche Rolle“, sagt Kühn. Womöglich falle es den Menschen aber leichter, weniger zu essen, wenn sie durch das Fasten eine Art Rahmen mit klaren Regeln haben. Betrachtet man es so, ist das Fasten also eine Art Selbsterziehung. „Das Entscheidende scheint für die Gesundheit zu sein, dass man insgesamt weniger isst.“ Einige andere Faktoren sind der Gesundheit ebenfalls zuträglich: mehrere Portionen Obst und Gemüse am Tag. Bei Brot, Nudeln, Reis und Mehl eher für Vollkorn entscheiden. So wenige industriell verarbeitete Produkte wie möglich. Salz und Zucker sparsam einsetzen. Langsam und bewusst essen. Mindestens 1,5 Liter Wasser täg- lich trinken, möglichst keine gesüßten Getränke. Und eben idealerweise auch höchstens zwei Mal die Woche Fleisch essen, insgesamt nicht mehr als 600 Gramm. Dann schmeckt es an den jeweiligen Mahlzeiten auch besonders gut.  Christian Heinrich Helmholtz Perspektiven 01/2019 1 3

T I T E LT H E M A Fleischlos glücklich? Aus gesundheitlichen und ökologischen Gründen sollten wir weniger Fleisch essen. Doch das Bedürfnis nach einem saftigen Schnitzel, Würstchen oder Steak ist stärker als die Vernunft. Dabei stehen bereits heute Alternativen zu herkömmlichem Fleisch im Supermarktregal – und künftig kommen noch einige neue hinzu. Ein Überblick. INSEKTEN In Asien, Südamerika und Afrika werden mehr als 2.000 unter- schiedliche Insektenarten verzehrt. Die Tierchen werden getrocknet, frittiert oder zu Brei gemahlen. Seit einem Jahr sind Insekten in der EU als Lebensmittel zugelassen. Um die Akzeptanz bei Verbrauchern zu steigern, verarbeitet man sie meist als Mehl zu Brot, Proteinriegeln, Snacks oder Burger- patties. Große Geschmacksvielfalt. Viele Insektenarten weisen einen hohen Protein- (25 bis 75 Prozent) und Fettgehalt (10 bis 70 Prozent) auf, der je nach Futtermittel noch erhöht werden kann. Zudem enthalten sie wichtige Nährstoﬀe, wie Eisen oder Magnesium, Vitamine sowie Ballaststoﬀe. Es gibt bislang allerdings wenige Studien zu Auswirkungen auf die Gesundheit. Die Tiere verbrauchen wenig Platz und Futter, sind fast komplett verwertbar und vermehren sich schnell. Wenige Studien zu mikrobiologischen und toxikologi- schen Untersuchungen. Falls der Darm der Tiere vor der Verarbeitung nicht entfernt wird, könnten Krankheitserreger übertragen werden. Schadstoﬀe in Nahrungs- mitteln könnten durch den Verzehr der Tiere aufgenommen werden. Die Akzeptanz bei Verbrauchern in Deutschland ist (noch) gering. HÜLSENFRÜCHTE Tofu kennt jeder, weniger bekannt ist allerdings Tempeh – ge- kochte Sojabohnen, die mit Pilzzellen versetzt werden, welche wachsen und die Bohnen zu einer festen Masse verbinden. Tempeh lässt sich braten, frittieren oder als Suppeneinlage ver- wenden. Seit einigen Jahren auf dem Markt sind Produkte aus Proteinen der Süßlupine, die aus ihren Samen gewonnen wer- den. Relativ neu sind zwei Hülsenfruchterzeugnisse als Ersatz für Burgerﬂeisch: zum einen der „Impossible Burger“ aus Soja- und Kartoﬀelproteinen und Häm – einem zentralen Bestandteil des Blutes –, welches für den Burger von Hefen hergestellt wird. Dies soll ihn besonders saftig und geschmacksintensiv machen. Zum anderen der „Beyond Meat Burger“ aus Erbsenproteinen, Rote-Bete-Saft und Chiasamen. Große Produktvielfalt möglich. Sojaprodukte weisen eine dem Fleisch ähnliche Proteinzusammensetzung auf, sind aber frei von Cholesterin und enthalten einen hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren und Mineralstoﬀen. Tempeh enthält noch mehr Protein und ist leichter verdaulich. Lupinenprodukte enthalten weniger Fett, aber mehr Ballaststoﬀe. Die Süßlupine könnte relativ anspruchslos überall in Deutschland angebaut werden. Der Eigengeschmack der Produkte ist oft gering, engeschmack der Produkte ist oft gering, weshalb teils Geschmacksverstärker und Aromastoﬀe weshalb teils Geschmacksverstärker und Aromastoﬀe eingesetzt werden, um Fleischgeschmack zu erzeugen. Unklare eingesetzt werden, um Fleischgeschmack zu erzeugen. Unklare Gesundheitswirkungen und Allergierisiken aufgrund vielzähliger Gesundheitswirkungen und Allergierisiken aufgrund vielzähliger Zusatzstoﬀe. Der größte Anteil der weltweit angebauten Soja Zusatzstoﬀe. Der größte Anteil der weltweit angebauten Soja- bohnen stammt aus Brasilien und den USA und steht wegen bohnen stammt aus Brasilien und den USA und steht wegen der Anbaubedingungen (Monokulturen, Flächenverbrauch) der Anbaubedingungen (Monokulturen, Flächenverbrauch) in der Kritik. 1 41 4 1 4 Helmholtz Perspektiven 01/2019

PILZE Schimmelpilzkulturen werden in große Bioreaktoren gegeben und vermehren sich dort in einer Nährlösung. Daraus gewinnt man sogenannte Mykoproteine, welche erhitzt und mit Milch- oder Hühnereiproteinen versetzt werden, um eine teigartige Masse herzustellen. Diese wird zu Filets, Würstchen oder Hack verarbeitet. Durch die Pilzstruktur ist die Konsistenz ﬂeischähnlicher als bei Tofu oder Seitan. Die Mykoprotein-Erzeugnisse sind fett- und cholesterinarm und reich an Proteinen und Bal- laststoﬀen. Die Nährlösung kann mit Vitaminen und Mineralien angereichert werden, um den Nährwert des Endproduktes zu erhöhen. Bioreaktoren verbrauchen weniger landwirtschaftliche Nutzﬂäche. Energieintensiver Produktionsprozess. Bei einigen Menschen können Mykoprotein-Produkte eine allergische Reaktion auslösen. FLEISCH AUS DEM LABOR Statt Tiere zu schlachten, werden für die Herstellung von soge- nanntem In-vitro-Fleisch lediglich tierische Muskelstammzellen verwendet. Diese werden in einem Nährmedium in Bioreakto- ren vermehrt und bilden sich zu Muskelzellen und letztlich zu Muskelfasern aus. Rund 20.000 dieser kleinen Fasern werden für einen Burgerpatty benötigt. In-vitro-Fleisch könnte eine umwelt- und tierfreundliche Alternative für Menschen sein, die nicht auf Fleisch verzichten wollen. Die Fleischzusammensetzung könnte im Labor kontrolliert verändert werden, beispielsweise der Fett- gehalt reduziert und das Fleisch mit Vitaminen angereichert werden. Studien zu Effekten auf die Gesundheit liegen aller- dings noch nicht vor. Für eine breite Vermarktung von In-vitro-Fleisch müssten die Produktionskosten noch erheblich sinken. Die Herstellung erfordert die Zugabe von Antibiotika sowie für das Wachstumsserum meist noch die Entnahme von Blut aus Kälberföten. Fraglich ist die Akzeptanz in der Bevölkerung. WEIZEN Für die Herstellung von sogenanntem Seitan wird Getreide mit Wasser verknetet und dann so lange ausgewaschen, bis nur noch das Weizenprotein als Klumpen übrig ist. Es wird mit Wasser oder Gemüsebrühe und Gewürzen verknetet und im Wasserbad oder Backofen gegart. Mit seiner Fähigkeit, Gewürze aufzunehmen, und seiner eher bissfesten Konsistenz kommt Seitan geschmacklich und texturell schon eher als Tofu an Fleisch heran. Keine Alternative für Menschen mit Glutenunverträg- lichkeit. Produkte, die auf Seitan basieren, haben eine geringere Proteinqualität als vergleichbare Fleischprodukte. So fehlt beispielsweise die essenzielle Aminosäure Lysin, wodurch Seitan eine geringere biologische Wertigkeit als Soja oder Fleisch hat, das heißt daraus kann der menschliche Körper weniger Proteine aufbauen. Annette Doerfel ANALYSE „Fleisch der Zukunft“ (noch nicht veröﬀentlicht) des Instituts für Innovation und Technik (iit) im Auftrag des Umweltbundesamtes: http://bit.ly/ ﬂeisch-der-zukunft BROSCHÜRE „In-vitro-Fleisch“ des Instituts für Technikfolgen- abschätzung und Systemanalyse (ITAS) am KIT: http://bit.ly/ itas-in-vitro-ﬂeisch Helmholtz Perspektiven 01/2019 1 5

F O R S C H U N G HELMHOLTZ kompakt Unzureichend geschütztDukaten-Feuerfalter (Lycaena virgaureae) und Brauner Feuerfalter (Lycaena tityrus) Bild: Petra Druschky, Wandlitz Artenschwund trotz Schutzgebieten Obwohl die Artenvielfalt in Naturschutzgebieten größer ist als außerhalb, können diese den Artenschwund oﬀenbar nicht aufhalten. Zu diesem Schluss kommen Forscher vom Helmholtz- Zentrum für Umweltforschung – UFZ. Sie untersuchten, wie viele Arten von Tagfaltern sich innerhalb und außerhalb des Schutz- gebietssystems „Natura 2000“ tummeln, das sich quer durch die EU zieht. Dabei griﬀen sie auf die Langzeitdaten des Citizen- Science-Projekts „Tagfalter-Monitoring Deutschland“ zurück. Auf ungefähr 300 festgelegten Zählstrecken sind Freiwillige schon seit 2005 Woche für Woche unterwegs und dokumentieren sämt- liche tagaktive Falter, die ihnen begegnen. Die Schmetterlings- fahnder zählten außerhalb der Schutzzonen im Schnitt 18 Arten, innerhalb 21. Es zeigte sich allerdings, dass die Artenvielfalt zwischen 2005 und 2015 zurückgegangen war – sowohl inner- halb als auch außerhalb der geschützten Gebiete. Im Schnitt sank die Vielfalt von 19 auf etwa 17 Arten. Die Forscher vermuten als Ursache großräumige Eﬀekte wie den Klimawandel oder den Einsatz von Pestiziden. Bislang gab es nur wenige Studien, die sich mit der Artenvielfalt in Naturschutzgebieten beschäftigten. Schon seit 1992 baut die EU ein System aus Schutzgebieten auf, das inzwischen mehr als 18 Prozent der Landﬂäche umfasst und ein wichtiger Baustein des europäischen Naturschutzes ist. Originalpublikation: doi: 10.1111/ddi.12854 1 6 Helmholtz Perspektiven 01/2019

Ballaststoﬀe für Herz und Gefäße Wie Ballaststoﬀe vor den Folgen von Bluthochdruck schützen, haben nun Forscher vom Experimental and Clinical Research Center (ECRC) herausgefunden, einer ge- meinsamen Einrichtung des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin (MDC) und der Charité. Eine Schlüsselrolle spielt dabei ein Molekül namens Propionsäure. Bakterien im menschlichen Darm stellen die Fettsäure aus den Ballaststoﬀen her, die mit der Nahrung aufgenommen werden. Mäuse mit Bluthochdruck, denen die Forscher Propionsäure ins Futter mischten, litten deutlich weniger an Herzschäden und anderen Folge- erkrankungen. Die Forscher fanden auch heraus, welcher Mechanismus hinter der schützenden Wirkung steckt: Propionsäure beruhigt bestimmte Immunzellen, die an der Entstehung der Herz-Kreislauf-Erkrankungen beteiligt sind. Propionsäure lässt sich kostengünstig herstellen und ist bereits als Lebensmittelzusatzstoﬀ zugelassen. Das Forscherteam möchte nun die Wirkung auf menschliche Probanden untersuchen. Die Wissenschaftler hoﬀen auf neue Ansätze für die Therapie von Herz-Kreislauf-Erkrankungen. Originalpublikation: doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.118.036652 Wolfgang Wernsdorfer (li.) & Hans-Reimer Rodewald Bilder: KIT & J. Jung/DKFZ Leibniz-Preis für zwei Helmholtz-Forscher Der Immunologe Hans-Reimer Rodewald und der Experimental- physiker Wolfgang Wernsdorfer erhalten den mit 2,5 Millionen Euro dotierten Leibniz-Preis der Deutschen Forschungsgemein- schaft (DFG). Hans-Reimer Rodewald forscht am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) zum körpereigenen Abwehr- system. Dabei untersucht er unter anderem, wie sich Immunzel- len aus Stammzellen entwickeln, und schaﬀt wichtige Grund- lagen für die Entwicklung von Krebsimmuntherapien. Mithilfe ﬂuoreszierender Farbstoﬀe ist es ihm gelungen, Immunzellen auf ihrem Weg im lebenden Organismus zu verfolgen. So lässt sich untersuchen, wie die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut entsteht. Der Experimentalphysiker Wolfgang Wernsdorfer forscht am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) im Bereich Quanten- computing und zählt zu den führenden Experten für molekulare Magnete, die etwa in künftigen Quantencomputern zum Einsatz kommen sollen. Quantenphysikalische Eﬀekte können Anwendun- gen in vielen Bereichen extrem verbessern: Während herkömm- liche Computer mit Bits, also mit den Werten Null oder Eins ar- beiten, nutzen Quantencomputer als Recheneinheit Quantenbits. Bei diesen sogenannten Qubits existieren auch Werte zwischen null und eins. Dadurch können sie viele Rechenschritte parallel ausführen und Berechnungen um ein Vielfaches beschleunigen. Mit dem Display fühlen Auf dem Touchscreen der Zukunft können Nutzer Objekte nicht nur sehen, sondern auch ertasten. So lassen sich Eingabefelder oder Apps auch ohne Blickkontakt ﬁnden. Das wäre nicht nur für Sehbehinderte, sondern auch für Sehende hilfreich – bei- spielsweise beim Gehen, da hier die Augen auf die Umgebung gerichtet sein sollten. Der Physiker Bo Persson vom Forschungs- zentrum Jülich hat nun mit einem internationalen Team eine deutlich vereinfachte Methode vorgestellt, um die Interaktion mit solchen haptischen Touchscreens theoretisch zu beschrei- ben. Bislang war die Berechnung der Kräfte zwischen Finger und Display selbst mit den leistungsfähigsten Supercomputern nicht möglich. Auf Grundlage ihres Modells leiteten die Forscher bereits einen Vorschlag für Displaykonstruktionen ab, die einen verbesserten Tasteindruck vermitteln. Entscheidend für ein solches haptisches Display ist die sogenannte Gleitreibung des Fingers; sie bestimmt, ob der Nutzer die Displayoberﬂäche als rau oder glatt empﬁndet. Die Forscher untersuchten die Gleit- reibung unter anderem in Abhängigkeit vom Fingerdruck und von der elektrischen Spannung. Originalpublikation: doi: 10.1073/pnas.1811750115 Helmholtz Perspektiven 01/2019 1 7

F O R S C H U N G Elektronische Haut hilft bei der Orientierung DZNE-Forscher erhält hoch dotierten Preis Ein Forscherteam um Denys Makarov vom Helmholtz-Zentrum Im Experiment ließ sich mit einer hauch- dünnen goldenen Folie auf dem Mittelﬁnger ein virtueller Panda mithilfe des Erdmagnet- felds steuern. Bild: G.S. Cañón Bermúdez/ HZDR Dresden-Rossendorf (HZDR) hat einen elek- tronischen Magnetsensor entwickelt, der allein über die Interaktion mit dem Erdmagnetfeld bestim- men kann, wie sich ein Körper im Raum bewegt. Der Sensor aus einer hauchdünnen Polymer- folie lässt sich problemlos auf der Haut tragen, was ihn gewissermaßen in einen Kompass verwandelt. Diese „elektronische Haut“ könnte nicht nur bei Problemen mit der Orientierung helfen, sondern auch den Zugang zur virtuellen Realität vereinfachen. Eine Testperson konnte eine Figur in einer virtuellen Realität mit nur einer Handbewegung steuern. „Auf der Folie haben wir elektronische Magnetsensoren aufgebracht, die kleinste geomagnetische Felder detektieren können“, erläutert Gilbert Santiago Cañón Bermúdez, der Erstautor der Studie. Der Neurobiologe Frank Bradke forscht am DZNE. Bild: DFG/David Ausserhofer Den Nervenzellen des Rückenmarks fehlt die Fähigkeit zur Selbstheilung. Werden sie beschädigt oder durchtrennt, kann es zu einer dauerhaften Lähmung oder anderen schwerwiegenden Folgen kommen. Der Neurobiologe Frank Bradke, Arbeits- gruppenleiter am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE), forscht an neuartigen Therapien zur Behandlung dieser Verletzungen. In Laborversuchen konnten er und sein Team nachweisen, dass bestimmte Wirkstoﬀe beschä- digte Nervenzellen zum Nachwachsen anregen und gleichzeitig die Vernarbung verringern. Für seine Forschung wurde der DZNE-Forscher nun mit dem mit 750.000 Euro dotierten Preis der Schweizer Roger-de-Spoelberch-Stiftung ausgezeichnet.  Originalpublikation: doi: 10.1038/s41928-018-0161-6 Annette Doerfel, Elena Hungerland & Martin Trinkaus Anzeige NEUE EXPERIMENTIERBROSCHÜRE FÜR KINDER, JUGENDLICHE UND LEHRKRÄFTE FÜR KINDER, JUGENDLICHE UND EHR RÄFTE • bietet viele einfache und spannende Versuche zum Experimentieren aus unterschiedlichen wissenschaftlichen Bereichen • spielerische Erklärung von Fachbegriﬀen wie Dichte, Enzym oder Bionik • ideales Unterrichtsmaterial für Lehrkräfte, um Schüler zu motivieren, selber zu experimentieren • Beispiele: „Lochkamera zum Selberbauen“, „Blubber- spaß mit Lavalampen“ oder „Elektrisch leitfähige Knete“ Netzwelk schülellabole Netzwelk schülellabole in del helmholtz-Gemeinschaft in del helmholtz-Gemeinschaft Die Broschüre gibt es zum Download unter: www.helmholtz.de/ experimente www.helmholtz.de/schuelerlabore

der Forschungspodcast der Helmholtz-Gemeinschaft F O R S C H U N G Erst lesen, dann hören Bislang müssen Bibliotheken Abonnements von Fachzeitschriften bezahlen. Die Open-Access-Bewegung präferiert den kostenlosen Zugang zu wissenschaftlichen Aufsätzen. Was sich am Publikationssystem ändern sollte, erklärt Bernhard Mittermaier, der Bibliotheksleiter am Forschungszentrum Jülich, in Folge 146 des Resonator-Podcasts. Zwischen 2003 und 2018 gab es so viele wissenschaftliche Publikationen wie zuvor seit Beginn der Menschheitsge- schichte. Doch wie und warum entstehen so viele Veröffentlichungen? Der Begriff „Publish or Perish“ beschreibt den Druck für Forscher, viel in Fachzeitschriften publizieren zu müssen. „Man kann als Wissenschaftler in ein Ministerium oder in eine Bibliothek abbiegen, dann muss man nichts mehr veröffentlichen“, sagt Mittermaier: „Wenn man jedoch in der Wissenschaft bleiben möchte, muss man publizieren.“ Dabei komme es vor allem auf die Bekanntheit der wissen- schaftlichen Zeitschrift an. Vom jetzigen Publikationssystem profitierten vor allem die großen Verlage: „Ihre Macht gründet sich darauf, dass sie die Marke haben, die die Wissenschaftler benötigen. Oder zumindest glauben zu benötigen. Der Steuerzahler hat ein berechtigtes Interes- se daran, dass kluge Köpfe Lösungen für die Probleme der Gesellschaft finden.“ Und diese müssten dann auch zugänglich gemacht werden. Bislang müssen die Bibliotheken die teuren Fachzeitschriften abonnieren, damit die Texte für die ebenfalls mit Steuergeldern finanzierte Forschung ver- fügbar sind. Ein Vorschlag Mittermaiers: nicht mehr fürs Lesen, sondern fürs Pub- lizieren bezahlen. Wenn die Forschungs- einrichtungen die einmaligen Kosten dafür übernehmen würden, müssten die Steuerzahler nicht die Gewinnmargen der Verlage mitfinanzieren, die entstehen, wenn viele Bibliotheken die Abonne- ments zahlen müssen. Bernhard Mittermaier setzt sich für „Open Access“ ein – den freien Zugang zu wissenschaftlichen Texten im Internet. Mehr über seine vielfältigen Ideen zur Zukunft des Publikationssystems gibt es in Folge 146 des Resonator-Podcasts.  Elena Hungerland AUDIO Mehr Wissenschaft auf die Ohren gibt es hier: www.helmholtz.de/ resonator-146 Helmholtz Perspektiven 01/2019 1 9

Komposter im Orbit Lässt sich der Urin von Astronauten besser nutzen, wenn sie auf längerer Mission im Weltall unterwegs sind? Forscher entwickeln ein spezielles Kompostier- verfahren, das zurzeit im Orbit Stoﬀkreisläufe schließt, mit seinen Düngemitteln Tomaten ernährt und nebenbei auch ganz irdische Probleme lösen kann. Von außen betrachtet, sieht der Satellit Eu:CROPIS unspektakulär aus: eine Tonne, 100 Zentimeter im Durchmesser und 110 Zentimeter hoch, dazu vier Solarpaneele. Interessant wird es unter seiner silbrig glänzen- den Haut: Dort ﬁnden in zwei Mini-Gewächs- häusern Experimente statt, die für künftige Weltraummissionen eine entscheidende Bedeu- tung bekommen könnten. Seit Mitte Dezember 2018 kreist der Satellit inzwischen um die Erde, beobachtet von Wissenschaftlern aus mehreren deutschen Forschungsinstituten. „Darüber, dass wir für lange Missionen im All unsere Nahrungsmittel vor Ort erzeugen müssen, sind sich die Kollegen einig“, sagt Jens Hauslage vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). „Wie die organischen Abfälle dann aber recycelt werden sollen, darüber hat sich kaum jemand Gedanken gemacht.“ Hauslage ist wissenschaftlicher Leiter der Eu:CROPIS-Mission – und will mit seinen Kollegen herausﬁnden, ob im Weltraum ein ähnlicher Kreislauf funktioniert wie auf der Erde. Dort wird totes Material zersetzt und umgewandelt und steht dann der nächsten Pﬂan- zengeneration als natürlicher Dünger wieder zur Verfügung. „Dafür brauchen wir die Funktionalität des Bodens“, erklärt Hauslage, „aber das geht im Weltraum nicht so einfach. Wir können auf der ISS keinen Komposthaufen betreiben.“ ausgeschrieben, und Fachmann Hauslage bezeich- net ihn als „Rieselﬁlter“. Er imitiert den Boden auf der Erde und stellt die recycelten Nährstoﬀe – quasi den Kompost – in ﬂüssiger Form bereit. So sollen dann in einem zweiten Schritt im Weltraum Tomaten wachsen. „In manchen Berichten hieß es, wir würden Tomaten im Weltall züchten“, sagt Jens Hauslage. „Dabei sind die Tomaten für uns nichts weiter als ein Biosensor. Wir haben uns deshalb für sie entschieden, weil sie mit ihrer roten Farbe für die 16 Kameras sehr gut zu sehen sind.“ Im Mittelpunkt seines Interesses steht der künstliche Urin, der im Filter verarbeitet wird – und generell die Frage, wie biologische Systeme unter veränder- ten Schwerkraftbedingungen zurechtkommen. Antworten darauf sucht auch Michael Lebert. Er lehrt Zellbiologie an der Friedrich-Alexander- Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und ver- antwortet mit seinem Team die zweite wichtige Aufgabe an der Eu:CROPIS-Satellitenmission: Mit an Bord sind winzige Organismen, denen beim Wachstum der Tomaten eine besondere Rolle zukommt. Wenn die Tomaten keimen, überneh- men Einzeller die Versorgung mit Sauerstoﬀ – sie betreiben Photosynthese. Außerdem entgiften sie bei Bedarf das System, denn hin und wieder kann es passieren, dass sich im C.R.O.P.-Filter zu viele Ammoniumionen anhäufen. Für die Pﬂanzen wäre das nicht besonders gesund. Die eingesetzten Ein- zeller hingegen fressen Ammonium sehr gern. „Die Tomaten sind für uns nichts „Euglena gracilis“ heißen die Winzlinge, die VIDEO weiter als ein Biosensor. Wir haben uns für sie entschieden, weil sie mit ihrer roten Farbe für die 16 Kameras sehr gut zu sehen sind.“ Eine mögliche Lösung ist der Filter, den die For- scher „C.R.O.P“ genannt haben und der dem Satel- liten auch seinen Namen gegeben hat: „Combined Regenerative Organic Food Production“ heißt er Michael Lebert für die Experimente verwendet – besser bekannt als Augentierchen. „Wir ﬁnden bei Euglena zu einer Hälfte pﬂanzliche und zur anderen Hälfte tierische Gene“, erklärt Lebert. „Dieser Organismus betreibt zwar Photosynthese, ist aber keine Alge. Andererseits kann er sich wie eine tierische Zelle auf einer Oberﬂäche bewegen.“ Bereits seit er in Marburg botanische Physiologie studiert hat, ist Lebert von den kleinen Organis- men fasziniert. Ganz besonders beschäftigt ihn Mehr Informationen zur Eu:CROPIS- Mission: www.helmholtz.de/ eucropis Helmholtz Perspektiven 01/2019 2 1

F O R S C H U N G Tomate im AllAuf die Reise geht übrigens die Tomatensorte „Micro- Tina“. Sie wächst schnell, bleibt aber kompakt. Bild: FAU Erlangen/ Kurt Fuchs dabei die Frage, wie sie sich unter veränderten Schwerkraftbedingungen verhalten. Denn wäh- rend sich Faktoren wie die Zusammensetzung der Atmosphäre, die Intensität des Sonnenlichts oder die Beschaﬀenheit des Bodens über die Epochen der Erdgeschichte hinweg geändert haben, ist die Gravitation der einzig konstante Reiz, der das Leben seit Jahrmilliarden beeinﬂusst. Wie seine Augentierchen auf den Wegfall dieses Reizes reagieren, haben Lebert und sein Team schon auf Parabelﬂügen und mit Experimenten auf der ISS untersucht. Nun folgen die Schwerkraftbedingun- gen von Mond und Mars, den wahrscheinlichsten Zielen bemannter Raumfahrt in den kommen- den Jahren. Der Satellit Eu:CROPIS ist der erste Satellit, in dem künstliche Schwerkraft erzeugt wird. Dazu dreht er sich um seine eigene Achse. Während im Zentrum des Satelliten weiterhin Schwerelosigkeit herrscht, nimmt die Schwerkraft in Richtung Außenwand zu. Zuerst sollen für sechs Monate die Bedingungen auf dem Mond simuliert werden, danach weitere sechs Monate die auf dem Mars. Um zu ergründen, wie ihre Schützlinge darauf reagieren, hat sich die Erlanger Arbeits- gruppe einiges ausgedacht. „Wir beobachten die Oberﬂäche des Euglena-Tanks mit einem Linienscanner“, erzählt Lebert. Dazu wird die Zellsuspension von der Seite angeleuchtet. Dann werden die Pumpen ausgeschaltet. Diese wälzen den Inhalt des Tanks normalerweise um. Denn Euglenen neigen dazu, sich festzusetzen und darunter würde die Entgiftungsarbeit leiden. Ohne diese sanfte, aber stete Strömung verteilen sich die Augentierchen an den Stellen, wo ihnen die Schwerkraft zusagt. Diese Ansammlungen streuen und absorbieren das Licht anders. Der Linien- scanner nimmt diese Signale auf und die Wissen- 2 2 Helmholtz Perspektiven 01/2019

schaftler können erkennen, welche Schwerkraft- werte die Einzeller mögen und welche sie nicht mehr wahrnehmen können. „Ich persönlich ﬁnde aber die genetischen Untersuchungen am spannendsten“, sagt Michael Lebert. „Dazu haben wir eine Analyseeinrichtung entwickelt, mit der wir Veränderungen an bis zu 500 Genen der Augentierchen beobachten können. Uns interessiert ja, was die Organismen gerade herstellen.“ Dazu haben sie ein aufwendiges Verfahren entwickelt, mit dem es erstmals gelingt, solche Untersuchungen im Weltall vorzunehmen. Ganz anders lief die Konstruktion des C.R.O.P.- Filters. Sein Herzstück ist Lavagestein, in dem verschiedenste Mikroorganismen leben, die den künstlichen Urin aufspalten sollen. „Beim typi- schen ingenieurtechnischen Ansatz würde man einzelne Organismen gezielt auswählen und unter sterilen Bedingungen einsetzen“, erklärt DLR- Forscher Jens Hauslage. „Von denen wird dann erwartet, dass sie miteinander kooperieren und ein biologisches System ermöglichen.“ „Mit C.R.O.P. eliminieren wir einen Problemstoff und gewinnen auf biologischem Wege ein hochwertiges Düngemittel.“ Dass dieser Ansatz gelingt, sei allerdings unwahrscheinlich. Aus eigener Erfahrung weiß der Gravitationsbiologe: „Entweder haben wir ein funktionierendes System, das wir aber nicht 100-prozentig verstehen. Oder wir haben eines mit wohldeﬁnierten Organismen, das dann aber meist nicht funktioniert“, erklärt Hauslage. Deshalb hatte es für ihn oberste Priorität, einen geeigneten Lebensraum anzubieten – welche Mikroorganismen genau sich darin ansiedeln, hat er ihnen selbst überlassen. „Die erste Community haben wir mit einem Löﬀel Gartenerde eingeimpft. Die Organismen, die sich in diesem Habitat wohl- fühlen, haben sich vermehrt und letztlich auch durchgesetzt.“ Ihren Spezialﬁlter können die Wissen- schaftler inzwischen auch auf der Erde einsetzen. „Irgendwann meinte ein Kollege: ‚Warum schütten wir denn nicht mal Gülle auf den Filter?‘“, erin- nert sich Jens Hauslage. Das häuﬁge Problem der Überdüngung von Feldern und der Emission von Ammoniak könnte sich mit dem C.R.O.P.-Filter lösen lassen: In mehreren Testserien konnte er 100-prozentigen Urin und 100-prozentige Gülle zu einem nitratreichen und gut lagerfähigen Salz verstoﬀwechseln. „Ich spreche gern von einer Ver- edlung der Gülle“, sagt der DLR-Forscher. „Denn mit C.R.O.P. eliminieren wir einen Problemstoﬀ und gewinnen auf biologischem Wege ein wirklich hochwertiges Düngemittel.“ Auch Medikamenten- rückstände können die Mikroorganismen aus dem Filter wirkungsvoll abbauen.  Kai Dürfeld Nähren und entgiftenDie Augentierchen (Euglena) bauen das für die Tomatenpﬂanzen schädliche Ammoniak ab und produzieren den für deren Keimung notwendigen Sauerstoﬀ. Bild: Science Photo Library/Stammers, Sinclair Noch am BodenForscher des DLR bereiten den Satelliten für die Mission vor. Bild: DLR Helmholtz Perspektiven 01/2019 2 3

S TA N D P U N K T E Brauchen wir eine CO2 -Steuer? Um den Klimawandel einzugrenzen, müsste der Ausstoß von Kohlenstoﬀdioxid drastisch reduziert werden. Doch reichen die bisherigen Anreize und Werkzeuge wie der Emissionshandel aus? Oder sollten wir eine CO2- Steuer einführen? Zwei Blickwinkel. „Eine CO2-Steuer kann mehr bewirken, als ausschließlich Anreize für den Klimaschutz zu setzen. Durch eine angemessen Ausge- staltung kann sie auch Einstieg und Basis für eine umfassende ökologische Steuer- und Finanzreform sein.“ Markus Groth Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Klimafolgen und Ökonomie am Climate Service Center Germany (GE- RICS) des Helmholtz-Zentrums Geesthacht – Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG) Der IPCC-Sonderbericht „Global Warming of 1.5 °C“ hat gezeigt, dass bereits eine Erwär- mung von 1,5 Grad Celsius im Vergleich zum vorindustriellen Niveau deutliche Folgen des Klimawandels mit sich bringen wird. Die gesamt- wirtschaftlichen Schäden bis 2100 können dabei regional höher sein, wenn die globale Erwärmung zwei Grad Celsius erreicht. Alle für das 1,5-Grad- Ziel potenziell zielführenden Emissionspfade wiederum, setzen schnelle und weitreichende Emissionsminderungen und Systemübergänge in vielen gesellschaftlich und wirtschaftlich bedeutenden Bereichen voraus, wobei sie Syner- gien mit den Zielen für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen aufweisen können. Doch wie können wir es schaﬀen, die Wei- chen weiter in Richtung dieser notwendigen Trans- formation zu stellen? Mit dem Blick auf Europa und Deutschland machen es die bisherigen praktischen Erfahrungen mit dem europäischen Emissionszer- tiﬁkatehandel schwer vorstellbar, dass er zeitnah so ausgeweitet werden kann, dass dadurch die notwendigen Anreize gesetzt werden können. Wir benötigen kurzfristig vielmehr eine Lö- sung, die unmittelbar alle Emissionen erfasst und mit der auch ein klares klimapolitisches Bekennt- 2 4 Helmholtz Perspektiven 01/2019 nis auf nationaler Ebene verbunden ist. Beispiele von weltweit mehr als 70 Maßnahmen zur Beprei- sung von CO2 – beginnend mit der erstmaligen Einführung einer CO2-Steuer 1990 in Finnland – zeigen, dass sich Steuern im Vergleich zu einem Emissionszertiﬁkatehandel in der Regel schneller, zielgenauer und einfacher umsetzen lassen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sie sozial verträglich ausgestaltet werden, wie das Beispiel Schweden zeigt – das Land mit dem derzeit höchs- ten CO2-Preis von über 110 Euro pro Tonne. Eine CO2-Steuer kann zudem mehr bewirken, als ausschließlich Anreize für den Klimaschutz zu setzen. Durch eine angemessene Ausgestal- tung kann sie auch Einstieg und Basis für eine umfassende ökologische Steuer- und Finanzreform sein. Hierfür ist ein Großteil der Steuereinnahmen unter anderem für zukunftsfähige und gesell- schaftlich nutzbringende Investitionen – beispiels- weise in klimawandelangepasste Infrastruktu- ren – sowie zur Verringerung der steuerlichen Belastung von Arbeit einzusetzen. Bislang bleiben die sich dadurch bietenden Chancen für stärkeren Klimaschutz und eine gesellschaftlich notwendige Transformation hin zu mehr Nachhaltigkeit in Deutschland noch weitestgehend ungenutzt. 

„Nationale CO2-Steuern sind die zweitbeste Lösung und sollten in jedem Fall eng auf das Emissionshandelssystem abgestimmt sein.“ Keine Frage: Mit einheitlichen Preisen für die Emission von CO2 lässt sich Klima- schutz eﬃzient erreichen, also zu minima- len Kosten. Prinzipiell lassen sich solche Preise sowohl durch eine CO2-Steuer implementieren als auch durch ein Emissionshandelssystem (EHS), in dem sich ein Marktpreis für Emissionszerti- ﬁkate bildet. Vieles spricht dafür, ein EHS mit einem Preiskorridor zu kombinieren. So würden die Vorteile beider Ansätze vereint. Allerdings sind für die Bepreisung von CO2-Emissionen in Deutschland oder der gesamten EU die politischen Realitäten zu berücksichtigen. Eine CO2-Steuer auf EU-Ebene müsste ein- stimmig beschlossen werden, was derzeit politisch nicht umsetzbar ist. Das 2005 geschaﬀene EHS hingegen funktioniert heute bereits als klima- politisches Instrument. Es deckt etwa die Hälfte der CO2-Emissionen in der EU ab und macht es dank Deckelung der Zertiﬁkate einfach, gesteckte Emissionsziele zu erreichen. Bei einer CO2-Steuer dagegen wäre unklar, wie stark Emissionen tatsächlich sinken. Im EHS sind sogar die Vorteile einer Preissteuerung, soweit politisch möglich, durch die Stabilitätsreserve eingebaut. Daher gilt es, das EHS als Kernelement der EU-Klimapolitik anzunehmen, es zu stärken und neue politische Schritte darauf abzustimmen. Wären nationale CO2-Steuern dennoch sinn- voll? CO2-Steuern in Sektoren, die vom EHS erfasst sind, würden nicht zu einer Emissionsminderung führen, wenn nicht gleichzeitig dem System Zertiﬁkate entzogen würden. Dies wäre also für die Eﬀektivität notwendig. Gleichzeitig führen Steuern zu uneinheitlichen CO2-Preisen in den EHS-Sek- toren, was ineﬃzient ist: Die gleiche Emissions- minderung ließe sich kostengünstiger erreichen, wenn etwa ein Land Zertiﬁkate aufkaufte und stilllegte. Für Sektoren außerhalb des EHS sollte zunächst geprüft werden, ob diese integriert wer- den können, wie es für den Verkehrssektor bereits diskutiert wird. So wird sichergestellt, dass in noch breiterem Kontext dort CO2-Emissionen vermieden werden, wo es am günstigsten ist. Eine CO2-Steuer kann dort sinnvoll sein, wo eine Integration in das EHS nicht möglich ist. Eine Studie des Instituts für Weltwirtschaft zeigt, wie Maßnahmen innerhalb und außerhalb des EHS generell aufeinander abgestimmt sein müssen, damit CO2-Emissionen kosteneﬃzient gesenkt werden. Nationale CO2- Steuern sind die zweitbeste Lösung und sollten in jedem Fall eng auf das EHS abgestimmt sein.  Sonja Peterson Wissenschaftliche Geschäfts- führerin des Instituts für Weltwirtschaft (IfW) in Kiel und Honorarprofessorin an der Christian-Albrechts- Universität Kiel www ONLINE Diskutieren Sie mit uns unter dem folgenden Link: www.helmholtz.de/ blickwinkel Helmholtz Perspektiven 01/2019 2 5

F O R S C H U N G Auf Elemente-Jag d Zu den Schlüsselressourcen im digitalen Zeitalter zählen die sogenannten seltenen Erdelemente. Die Nachfrage nach ihnen steigt rasant. Forscher erkunden deshalb unterschiedlichste Wege, um die Versorgung sicherzustellen – von ausgeklügelten Bergbau-Erkundungsverfahren bis zum Recycling. „Seit der Seltene-Erden-Krise rund um das Jahr 2011 sind diese Materialien viel stärker in den Blickpunkt gerückt“, sagt Jens Gutzmer. Der Geologe ist Direktor des HIF, das zum Helmholtz- Zentrum Dresden-Rossendorf gehört, und einer der renommiertesten Experten auf diesem Gebiet in Deutschland. In der Krise explodierten die Preise für die wertvollen Rohstoﬀe, die die Grundlage für fast alle Zukunftstechnologien bilden: Moto- ren von Elektroautos, hocheﬃziente Generatoren von Windkraftanlagen, Plasmabildschirme und Leuchtdioden – überall dort spielen Metalle der seltenen Erden eine Schlüsselrolle. „Dabei ist der Begriﬀ eigentlich unglücklich gewählt“, sagt Jens Gutzmer, „denn die seltenen Erden sind gar nicht so selten, sie verstecken sich nur gut in der Natur.“ In aufwendigen Trennverfahren müssen sie aus Erzen gelöst werden, was fast ausschließlich in China geschieht. Und weil weltweit die Nachfrage nach den kostbaren Elementen immer weiter an- steigt (siehe Kasten), suchen Wissenschaftler nach Möglichkeiten, auf die absehbare Verknappung des Rohstoﬀs und auf die steigenden Preise zu reagie- ren. „Im Wesentlichen gibt es drei Wege“, urteilt Jens Gutzmer: „Erstens könnte man die primäre Rohstoﬀproduktion steigern, zweitens stärker auf Recycling setzen und drittens versuchen, die selte- nen Erden durch andere Materialien zu ersetzen.“ Forscher vom Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ arbeiten daran, das Auﬃnden von Lagerstätten eﬃzienter zu gestalten. Sie suchen dabei Den neuen Begriﬀ prägten Franziska Lede- rer und ihre Kollegen, als sie schon eine ganze Weile mit der komplizierten Technik arbeiteten: „Bio-Angeln“ nannten sie das Verfah- ren, mit dem sie schon bald die Rohstoﬀsuche revolutionieren könnten. „Bei dieser Methode geht es im Grunde darum, gezielt ein bestimmtes Ma- terial aus einem Partikelgemisch herauszuﬁschen. Als Angel nutzt man Proteine, an die sich das gesuchte Material anlagert“, erklärt die Molekular- biologin. Mit dieser Technik sollten ursprünglich Antikörper für Krebszellen isoliert werden – „aber eigentlich“, überlegte Franziska Lederer, „müsste sich das Prinzip doch auch einsetzen lassen, um seltene Erden zu recyceln“. „Seltene Erden sind gar nicht so selten, sie verstecken sich nur gut in der Natur.“ Franziska Lederer leitet am Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) die Nachwuchsgruppe „BioKollekt“ und sucht mit ihren Kollegen nach Möglichkeiten, um die insgesamt 17 Elemente der seltenen Erden aus weggeworfenem Material wiederzugewinnen. Bislang gibt es für diese Elemente noch keine wirtschaftlich sinnvolle Recyclingmethode. Das sogenannte Phage Surface Display, für das sie später den Namen Bio-Angel prägte, erschien Lederer als hoﬀnungsvoller Weg. Um alles über die neuartige Technik zu lernen, machte sie sich im Jahr 2015 auf den Weg nach Kanada, wo die Pioniere sitzen, die die Methode erstmals für anorganisches Material verwendet hatten. 2 6 Helmholtz Perspektiven 01/2019

nach Methoden, wie sich die wertvollen Rohstof- fe schneller charakterisieren lassen als durch komplizierte Probebohrungen. „Wir entwickeln dafür verschiedene Verfahren, mit denen wir aus Hyperspektraldaten die Materialzusammen- setzung der Erdoberﬂäche analysieren können“, sagt Christian Mielke, der im Forschungsbereich Fernerkundung am GFZ arbeitet. Als Grundlage dienen Aufnahmen, die etwa von Satelliten und Flugzeugen aus oder auch aus dem Nahbereich gemacht werden: Die Forscher untersuchen dabei die Strahlung, die von der Objektoberﬂäche zum Sensor zurückgeworfen wird. „Weil jedes Mineral und jedes Element einen eindeutigen spektralen Fingerabdruck hat, lassen sich die Verfahren welt- weit einsetzen“, sagt Mielke. Innerhalb weniger Tage stehen im Idealfall verlässliche Ergebnisse zur Verfügung. „Unser Ziel ist es, den Bergbau zu Seltene erdeLemente unterstützen, damit die Rohstoffnut- zung vom ersten Moment an umwelt- freundlich und effizient möglich ist.“ Am GFZ gibt es, ähnlich wie auch am HIF, eine Reihe von Projekten, die sich mit diesen Fern- erkundungsverfahren beschäftigen. Eins von ihnen – Reemap – hat gezielt die Suche nach seltenen Erden zur Aufgabe. Das von den Wissenschaftlern entwickelte Verfahren ist hochﬂexibel: Es funkti- oniert in nahezu allen potenziellen Testgebieten beliebiger Größe – und dient nicht nur zur Cha- rakterisierung von Metallen der seltenen Erden, sondern auch von deren Begleitmineralen. „Unser Ziel ist es“, sagt Christian Mielke, „den Bergbau zu unterstützen, damit die Rohstoﬀnutzung vom ersten Moment an umweltfreundlich und eﬃzient möglich ist.“ Der zweite Weg, dem Engpass bei den begehrten Materialien zu entgehen, ist das Recyc- ling – jenes Feld, auf dem die Die Metalle der seltenen Erden gelten als Schlüssel zu zahl- reichen Zukunftstechnologien: Die 17 Elemente wie Scandium, Yttrium, Lanthan, Neodym oder Terbium kommen in Akkus und Bildschirmen zum Einsatz, aber auch in Dauermagneten, wie sie für die Generatoren in Elektromotoren benötigt werden. Bei der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoﬀe schätzt man, dass China mit einem Marktanteil von mehr als 80 Prozent die weltweite Produktion von seltenen Erden dominiert. „Umfangreiche Regulierungsmaßnahmen der chinesischen Re- gierung leiteten (…) einen strukturellen Wandel des Sektors ein, dessen internationale Auswirkungen auch den deutschen Markt betreﬀen“, heißt es dort in einem Papier. Die Ressourcen lagern allerdings in vielen Ländern der Welt, sie werden nur in den meisten Fällen nicht genutzt. Der Bedarf an den Metallen der seltenen Erden wird nach Expertenmeinungen in den kommenden Jahren deutlich steigen; in manchen Schät- zungen ist von jährlichen Wachstumsraten im zweistelligen Pro- zentbereich die Rede. Helmholtz Perspektiven 01/2019 2 7

F O R S C H U N G } Marktführer ChinaIn der ostchinesischen Hafenstadt Lianyungang wird Sand, in dem seltene Erden enthalten sind, für den Export verla- den. Der Abbau und die Verarbeitung der wertvollen Rohstoﬀe ﬁnden zu 80 Prozent in China statt. Bild: dpa } LeuchtstoﬀIm Bild ist eine an der Luft oxidierte und mit gelbem Europium(II)-carbonat überzogene Europiumscheibe zu sehen. Dieses Element wird in Plasmabildschirmen, Energiesparlampen und Euro- Banknoten (Fluoreszenz gegen Fälschungen) verwendet. Mit ihren Bio-Angeln hat Franziska Lederer eine Methode entwickelt, seltene Elemente wie Europium aus Energiesparlampen wiederzu- gewinnen. Bild: Wikipedia/alchemist-hp (CC-BY-SA 3.0) 2 8 Helmholtz Perspektiven 01/2019

Molekularbiologin Franziska Lederer mit ihren Bio-Angeln forscht. Für ihr Verfah- ren nutzt sie Bakteriophagen, das sind auf Bakterien spezialisierte Viren. An sie werden Bruchstücke von Proteinen – sogenannte Peptide – gekoppelt. „Die Peptide können kleine Taschen formen, in die bestimmte Mini-Strukturen passen“, erklärt Franziska Lederer, zum Beispiel eben ein Element der seltenen Erden. Wenn man die Bakteriophagen mit einem Partikelgemisch mischt, das verschiedene seltene Erden enthält, lassen sich einzelne Komponenten gezielt angeln. Lederer forscht mit einer Milliarde Bakterio- phagen, an die jeweils unterschiedliche Peptide gekoppelt sind. In aufwendigen Versuchen ﬁndet sie heraus, mit welchen Peptiden sich welches Ma- terial am besten angeln lässt. „Mit dieser Methode können wir speziﬁsche Peptide gewinnen, mit de- nen wir unterschiedliche seltene Erden, aber auch gering konzentrierte Metalle wie Kupfer- oder Goldpartikel aus komplexen Gemischen isolieren können“, erläutert Lederer. „Die Technologie, um das Recycling mit unserer Methode im industriel- len Maßstab durchzuführen, wird im Horizont von zehn Jahren verfügbar sein.“ Derzeit forscht sie mit Leuchtpulver von Energiesparlampen, in dem vor allem die seltenen Erdelemente wie Terbium und Europium enthalten sind. „Bis zum Jahr 2020 dürften allein in der Europäi- schen Union etwa 25.000 Tonnen Leuchtpulver aus ausgedienten Energiesparlampen gesammelt werden“, sagt die Molekularbiolo- gin – weil darin diese Elemente nur in geringer Konzentration vorkommen, lässt sich dieser Schatz an Rohstoﬀen bislang nicht wirtschaftlich heben. „Die Technologie, um das Recycling mit unserer Metho- de im industriellen Maßstab durchzuführen, wird im Hori- zont von zehn Jahren verfügbar sein“, schätzt Lederer. Der dritte Weg, mit der Knapp- heit von Metallen der seltenen Erden umzugehen, wäre es, sie durch andere Materialien zu ersetzen – oder Produkte zu entwickeln, die weniger der kostbaren Rohstoﬀe benötigen. Auch hieran arbeiten Forscher; bei der Substitution liegt ein be- sonderes Augenmerk oft auf dem Dysprosi- um, das besonders selten vorkommt. „Wir haben kein Verfügbarkeits- problem, sondern ein Markt- problem.“ Die Frage nach dem Umgang mit den kostbaren Materialien treibt allerdings nicht nur Wissen- schaftler oder Firmenchefs um, sondern immer öfter auch Politiker: „China hat den Markt mono- polisiert“, sagt HIF-Direktor Jens Gutzmer – vom Bergbau bis zur Verarbeitung der Erze ﬁnden alle Schritte fast nur dort statt. Weltweit seien deshalb alle Firmen, die mit den seltenen Erdelementen arbeiten, von China abhängig. „Wir haben kein Verfügbarkeitsproblem“, urteilt Gutzmer, „son- dern ein Marktproblem.“ Während es in der Geologie seit 170 Jahren eine eigene Disziplin gebe, die sich darum küm- mere, neue Lagerstätten mineralischer Rohstoﬀe zu erkunden, gebe es bei den Metallen der selte- nen Erden bisher nur sehr schlecht entwickelte wissenschaftliche Konzepte zur Erkundung. „Das ist Terra incognita“, sagt Gutzmer – und zumindest für ihn als Wissenschaftler ist die Aussicht fazinie- rend, dass hier noch viel zu machen ist: „Dass ich so etwas als Lagerstätten- kundler nochmals erlebe“, sagt er, „damit hätte ich beim besten Willen nicht gerechnet!“  Kilian Kirchgeßner RecyceltFranziska Lederer sucht mit ihrem Team nach Möglichkeiten, seltene Erden aus weggeworfenem Material wiederzugewinnen. Bild: André Wirsig/HZDR Helmholtz Perspektiven 01/2019 2 9

S TA N D P U N K T E Die Interaktion mit künstlicher Intelligenz braucht gegenseitiges Verständnis Die Arbeit mit intelligenten Maschinen ist keine Einbahnstraße, ﬁndet Samer Schaat. Für Mensch und Maschine gilt: Ihr Verhalten muss für eine kooperative Interaktion beiderseits nachvollzogen werden können. Ein Kommentar. Systeme der künstlichen Intelligenz (KI) können an dem gemes- sen werden, was ihr Name behauptet: zum einen daran, dass sie Intelligenz zeigen, also komplexe Problemlösungsfähigkeiten. Zum anderen daran, dass sie künstlich sind, also nach natürlichen Vorbildern vom Menschen erzeugt. Nach diesen Kriterien verdient – streng genommen – ein Großteil aktueller KI-Systeme diesen Namen nicht, denn in ihrer Forschung geht es in der Regel darum, komplizierte Probleme in der Welt möglichst automatisiert zu lösen, ohne sich dabei an menschliches Denken zu halten. Solange wir die künstliche Intelligenz als Werkzeug verwen- den und mit ihr einfach nur die Infrastruktur unserer Informati- onsverarbeitung erweitern, müssen wir auch nur eingeschränkt nachvollziehen können, mit welcher Methode sie Probleme löst. In aktuellen KI-Systemen, die maschinelles Lernen verwenden, wäre das häuﬁg auch nicht möglich. Solche Systeme stellen sich selbst für ihre Programmierer als Blackbox dar: Wir wissen zwar, was hinein- und was wieder herauskommt. Wir können die Blackbox aber bei Bedarf nicht öﬀnen und somit nachvollziehen, was in Samer Schaat ist wissenschaftlicher Berater für den demograﬁschen und soziodigitalen Wandel bei der VDI/VDE Innovation+Technik GmbH und war zuvor Postdoc am Deutschen Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE). ihrem Innern passiert. Für die Gegenseitigkeit einer Mensch-KI-Interaktion muss nicht Der Grund dafür liegt im Ansatz der verwendeten Lernalgo- nur der Mensch das Verhalten des KI-Systems nachvollziehen rithmen: Der Computer wird nicht wie in der klassischen Informa- können, sondern auch die Maschine dasjenige des Menschen. Beim tik mit einzelnen kausalen Schritten zur Lösung eines Problems Menschen ist es die Empathie, die ihn befähigt, sich in andere programmiert; stattdessen gibt sich das System selbst Regeln vor, Menschen hineinzuversetzen. Psychologen sprechen davon, dass basierend auf den in Beispieldaten vorhandenen statistischen Zu- Menschen dafür die psychologischen Prozesse des Gegenübers sammenhängen. Diese Abgabe von Kontrolle bringt es mit sich, dass simulieren. Das gelingt umso besser, wenn dafür die eigenen Pro- das Verhalten des Computers nur vermindert nachvollziehbar ist. blemlösungsprozesse nachvollziehbar verwendet werden können. Auch ein großer Teil der menschlichen Problemlösungsfähig- Das ist ein guter Grund, sich in der KI-Forschung wieder mit der keiten ist eine Blackbox des Unbewussten: Ob Routinen im Alltag, algorithmischen Nachbildung menschlicher Intelligenz zu beschäf- Heuristiken im Beruf oder das, was wir allgemein ein wenig hilﬂos tigen und damit ihrem Namen alle Ehre zu machen. Empathische als Intuition bezeichnen – die Basis unseres Handelns liegt oft im KI-Systeme können Emotionen abbilden, denn auch in der Inter- Dunkeln. Nur mit einiger Anstrengung gelingt es unserem Bewusst- aktion basiert rationales Verhalten auf der Funktion von Emotion: sein, durch logische Rückschlüsse aus u nserem Verhalten kausale Durch das Zeigen und Erkennen von Emotionen ist eine Interaktion Zusammenhänge abzuleiten. Die Blackbox wird zur Greybox. möglich, die sich an den Zustand des Menschen und des KI-Systems Je mehr unsere Interaktion mit Maschinen der Zusammen- anpassen kann. Eine gute Basis für gegenseitiges Verständnis! arbeit mit Menschen ähnelt, desto ausgeprägter ist das Blackbox- Wenn bei menschlicher Interaktion das Verhalten von einem Problem von KI-Systemen. Denn Zusammenarbeit – auch mit der Beteiligten im Dunkeln gelassen wird – etwa seine Intention –, intelligenten Maschinen – sollte auf gegenseitigem Verständnis kann das als Zeichen einer unwilligen Zusammenarbeit verstan- basieren. Dafür muss die Maschine aufzeigen können, wie sie den werden. Wer so agiert, ist nicht an Kooperation interessiert, Probleme löst. Damit wir dadurch nicht überfordert werden, sollte sondern strebt oft ein asymmetrisches Interaktions- und Macht- die Problemlösung in unterschiedlicher Granularität dargestellt verhältnis an. Konsequenterweise sollten wir solche einseitigen werden. In der Informatik werden dafür Probleme in hierarchische Interaktionsverhältnisse auch im Umgang mit KI-Systemen, die Ebenen aufgeteilt. Das erleichtert auch die Nachvollziehbarkeit. ihre Nachvollziehbarkeit im Dunkeln belassen, ablehnen!  3 0 Helmholtz Perspektiven 01/2019

F O R S C H U N G Nachgefragt: „Warum ist Schnee Weiß?“ Schneeﬂöckchen, WeißröckchenWasser ist in gefrorenem oder ﬂüsssigem Zustand durchsichtig. Warum aber ist Schnee weiß? Bild: Pixabay Das Wasser, das zu Hause aus dem Hahn kommt, ist klar, und auch die Regentropfen in der Natur sind durchsichtig. Müsste Schnee – also gefro- renes Wasser – nicht auch farblos sein? Helene Hoﬀmann vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung arbeitet zurzeit auf der Neumayer-Station in der Antarktis und erklärt, warum Schnee für uns weiß aussieht. Keine Schneeﬂocke gleicht einer anderen. Ihnen allen ist aber gemeinsam, dass sie aus feinen, sechseckigen Eiskristallen bestehen. Diese Kristalle sind eigentlich transparent und das Licht kann ihre Struktur durchdringen. Ein kleiner Teil des Lichtes wird aber an ihrer Ober- ﬂäche zurückgeworfen. In einer Schneeﬂocke liegen die vielen Kristalle wild durcheinander, wie Spiegelscherben. Wenn die Sonnenstrahlen auf eine Schnee- ﬂocke fallen, dann wird an jedem einzelnen der Kristalle ein wenig Licht reﬂektiert. Die Wellen- längen des Lichtes überlagern sich und die Flocke scheint weiß. Bei Eiswürfeln ist das anders. Sie sind durchsichtig, weil die einzelnen Eiskristalle in ihnen regelmäßig angeordnet sind, ein bisschen wie Bienenwaben. Es gibt keine Verästelungen, an denen sich das Licht brechen könnte. Sollten Eiswürfel doch mal weißlich aussehen, dann liegt das an eingeschlossenen Luftblasen. Es lassen sich noch weitere Farbphänomene beobachten: Eine Gletscherfront oder ein Eisberg kann zum Beispiel leuchtend blau erscheinen. Immer wenn das Licht einen sehr langen Weg durch Eismassen zurücklegen muss, wird der Rotanteil „geschluckt“ und der reﬂektierte blaue Anteil lässt die Oberﬂäche so intensiv farbig wirken. www Wenn sich hingegen Ruß und andere Par- ONLINE tikel auf Schnee und Eis ablagern, dann verfärbt er sich dunkel und die Rückstrahlfähigkeit der Oberﬂäche, auch Albedo genannt, sinkt ab. Hier in der Antarktis kommen zwar Rußteilchen an, aber es gibt noch keine messbaren Folgen. Anders ist das in der Arktis oder auf Grönland: Dort erwärmt sich der Schnee durch solche Ab- lagerungen und schmilzt schneller. Nachgefragt hat Kristine August Alle Ausgaben von Nachgefragt: www.helmholtz.de/ nachgefragt Helmholtz Perspektiven 01/2019 3 1

F O R S C H U N G Saubere Sache Wasserstoﬀ ist ein altbekannter Energieträger. Doch erst jetzt können Forscher sein ungeheures Potenzial für das Gelingen der Energiewende richtig nutzen – und arbeiten daran, die alte Idee der Brennstoﬀzelle zukunftstauglich zu machen. D ie gute Nachricht zuerst: Die Energie aus Sonnen- und Windkraftwerken, die in Deutschland genutzt werden könnte, übersteigt unseren hohen Energiebedarf deutlich. Nun die schlechte: Dieser Überﬂuss steht nicht immer dann zur Verfügung, wenn er benötigt wird. Hinzu kommt, dass viele dünn besiedelte Regionen gut geeignet sind für ertragreiche Wind- kraft- oder Solaranlagen, deren Strom aber in den Ballungsräumen gebraucht wird. Gesucht ist also die Möglichkeit, umweltfreundlich produzierte Energie zu speichern – und bei Bedarf auch zu transportieren. Apropos Transport: Auf der Straße werden händeringend Alternativen zu Diesel und Benzin gesucht. Und so kommt es, dass ein Energieträger, der schon lange bekannt ist, neue Aufmerksamkeit erhält: Wasserstoﬀ. Eine Reihe von Forschungsprojekten beschäftigt sich damit, ihn im großen Stil nutzbar zu machen. Mittelfristig könnten Schiffe, Züge, Lastwagen und Busse diesen emissionsfreien Treibstoff mithilfe von Brennstoffzellen nutzen. „Vor allem als Alternative zum Dieselmotor bieten sich Wasserstoﬀtechnologien in Zukunft an“, sagt Peter Wasserscheid, Direktor am Helmholtz- Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien (HI ERN). „Auf längeren Strecken oder im Dauerbetrieb, wo sich bei am Stecker aufge- ladenen Elektroautos Probleme auftun, kann die von Wasserstoﬀ betriebene Elektromobilität viel leisten.“ Gemeinsam mit zwei Kollegen hat er hierfür eine Lösung entwickelt: Wasserstoﬀ wird chemisch an eine Trägerﬂüssigkeit namens Dibenzyltoluol gebunden – dadurch kann er in den gleichen Tankfahrzeugen transportiert werden wie herkömmlicher Treibstoﬀ. „Dibenzyl- toluol ist in der Industrie für seine hohe Stabilität und seine ungiftigen Eigenschaften bekannt und eignet sich hervorragend als ﬂüssiger Wasserstoﬀ- träger“, erläutert Wasserscheid. Der Stoﬀ wird aus Toluol gewonnen, das man bislang in großen Mengen als Benzinbestandteil verbrennt. Um Was- serstoﬀ damit speichern zu können, hat das Team auch die erforderlichen Katalysatoren, Apparate und Prozesse entwickelt. An Testanlagen belegte es die Machbarkeit und brachte die Technologie zur Marktreife. „Das Prinzip ähnelt dem Füllen und Leeren einer Pfandﬂasche, die danach für den nächsten Speicherzyklus wieder bereitsteht“, sagt Wasserscheid: Der ﬂüssige Wasserstoﬀträger wird nicht verbraucht, sondern kann mehrere Hundert Mal wiederverwendet werden. Ein großer Pluspunkt ist auch seine Praxistauglichkeit: Jede normale Tankstelle wäre in der Lage, statt Benzin oder Diesel auch Dibenzyltoluol abzugeben. Die gesamte petrochemische Infrastruktur stünde bei Bedarf zur Verfügung. „Mittelfristig könn- ten Schiﬀe, Züge, Lastwagen und Busse diesen emissionsfreien Treibstoﬀ mithilfe von Brenn- stoﬀzellen nutzen“, sagt Wasserscheid. „Flüssige Wasserstoﬀträger können zudem einen wichtigen Beitrag zum globalen Handel mit erneuerbaren Energien leisten.“ Diese Aussichten brachten den Wissenschaftlern bereits eine Nominierung für den Deutschen Zukunftspreis 2018. Wasserstoﬀ lässt sich durch Elektrolyse er- zeugen: Wasser wird in Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ zerlegt – die Energie, die für diese Reaktion nötig ist, wird dabei im Wasserstoﬀ gespei- chert. Bei Bedarf lässt sie sich problemlos wieder zurück- gewinnen. Das ist die Funktion von Brennstoﬀzellen: In ihnen reagieren Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ; dabei setzen sie Strom und Wasser frei. Diese Reaktion wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet und hat neben ihrer Eﬃzienz einen großen Vor- teil: Es werden keine Schadstoﬀe freigesetzt. Einfach gezapftDer Tankvorgang mit Wasserstoﬀ funktioniert ähnlich wie bei herkömmlichem Treibstoﬀ mit einer Zapfpistole. Diese wird auf den Tankstutzen aufgesetzt und versiegelt automatisch luftdicht während des Auftankens. Bild: dpa [M]

F O R S C H U N G Wandlung in zwei Richtungen: Brennstoffzelle und Elektrolyse • Bereits 1839 präsentierte der britische Physiker Sir William Grove eine „galvanische Gasbatterie“, die Strom erzeugte. Messbare Spannung und Stromﬂuss waren damals allerdings so gering, dass die Brennstoﬀzelle sich nicht gegen Erﬁndungen wie Elektrodynamo und Verbrennungsmotor durchsetzen konnte. • Brennstoﬀzellen funktionieren ähnlich wie Batterien. Durch eine chemische Reaktion zwischen Anode und Kathode entsteht Energie. Chemische Reaktionspartner in der Brennstoﬀzelle sind Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ. Daraus entstehen vor allem Strom, Wasser – und Wärme, die für Heizungsanwendungen genutzt werden kann. • Diese elektrochemische Reaktion wird auch als „kalte Verbrennung“ bezeichnet – im Unterschied zur Verbrennung, durch die Motoren oder Turbinen Energie erzeugen. Neben seiner Eﬃzienz hat der Prozess einen weiteren Vorteil: Hierbei werden keine Schadstoﬀe freigesetzt. • Hohe technische Anforderungen und damit verbundene hohe Kosten bremsten die Technologie über viele Jahrzehnte aus. Mit neuem wissenschaftlichem Know-how kann daraus nun ein wichtiges Instrument für die Energiewende werden. • Auch die Umkehrung dieses Verfahrens spielt für die Energiewende eine wichtige Rolle: Unter gewöhnlichen Bedingungen gasförmig, lässt Wasserstoﬀ sich durch Elektrolyse erzeugen, indem man mit Elektrizität Wasser in Wasserstoﬀ und Sauerstoﬀ zerlegt. Ein großer Teil der elektrischen Energie wird dabei in chemische Energie umgewandelt, die über lange Zeit gespeichert werden kann. Die im Wasserstoﬀ gespeicherte Energie lässt sich bei Bedarf leicht zurückgewinnen. 3 4 Helmholtz Perspektiven 01/2019 In der derzeitigen Forschung geht es darum, Brennstoﬀzellen für den Alltagsbetrieb zu opti- mieren. Bislang wurde die Technologie wegen hoher technischer Anforderungen und hoher Kosten über viele Jahrzehnte hinweg ausgebremst. Eine vielversprechende Variante sind metallge- stützte Brennstoﬀzellen, an denen Wissenschaftler des „Christian Doppler Labors für Grenzﬂächen in metallgestützten elektrochemischen Energiewand- lern“ arbeiten. Das Labor bündelt das Know-how des Forschungszentrums Jülich und der TU Wien sowie von Unternehmen aus den Bereichen Antriebssystem- und Werkstoﬀentwicklung. „Wir testen seit 2014 metallgestützte Festelektrolyt- Brennstoﬀzellen“, sagt Projektleiter Martin Bram aus Jülich. „Unsere Versuchsobjekte sind im Vergleich zu bereits etablierten Keramikzellen hocheﬃzient, stabil und können kostengünstig hergestellt werden.“ „Würde man diese Kapazitäten voll ausschöpfen, um Wasserstoff einzu- speisen, ließe sich ein beträchtlicher Input an erneuerbaren Energien im Gesamtspeicher speichern.“ Diese drei Stärken sind wichtige Voraussetzungen für den Einsatz im großen Stil. Deshalb entwickelt das achtköpﬁge Team Prototypen, deren Leistung und Lebensdauer Schritt für Schritt immer höher werden. Zu den Hürden zählen dabei Alterungs- phänomene der Zellen im Langzeitbetrieb: Bei Be- triebstemperaturen von 600 bis 800 Grad Celsius ändert sich die Struktur der Elektroden, was die elektrochemischen Prozesse unmittelbar beein- ﬂusst. „Diese Eﬀekte wollen wir minimieren“, erläutert Bram. Er ist sich sicher: „Wir können hier einen wichtigen Beitrag für die industrielle Umsetzung dieser Technologie leisten.“ Für das Energiesystem der Zukunft muss nicht nur möglichst eﬃzient Wasserstoﬀ in Strom umgewandelt werden – sondern auch umgekehrt jener Strom aus erneuerbaren Energiequellen, der momentan nicht benötigt wird, in Wasser- stoﬀ. „Um die schwankende Stromerzeugung der Erneuerbaren ausgleichen zu können, werden ﬂexible Elektrolyseanlagen zur Herstellung von Wasserstoﬀ immer wichtiger“, sagt Christopher Hebling, Bereichsleiter Wasserstoﬀtechnologien am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE. Das bereits bestehende Erdgasnetz könne dabei als Langzeitspeicher genutzt werden. Das Fraunhofer ISE hat auf seinem Freiburger Gelände

Wasserstofflogistik Prinzip des Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) Gefahrlos transportiert LOHC ist ein ﬂüssiges, organisches Trägermaterial wie etwa Dibenzyl- toluol. Damit lässt sich Wasserstoﬀ einfach und gefahrlos mit Tanklastern und Zügen transportieren. Bild: FZ Jülich/SeitenPlan eine Anlage in Betrieb genommen, mit der Wasser- stoﬀ in das Gasnetz eingespeist werden kann. Seit August 2017 erhalten die Kunden des kommuna- len Verteilnetzes bis zu zwei Prozent Wasserstoﬀ im Erdgas. Technisch möglich wären bis zu zehn Prozent. Dahinter verbirgt sich hierzulande ein enormes Potenzial: Rund 50 Erdgasspeicher (unter Tage) kommen auf ein Fassungsvermögen von rund 23 Milliarden Kubikmetern Gas. „Würde man diese Kapazitäten voll ausschöpfen, um Wasser- stoﬀ einzuspeisen, ließe sich ein beträchtlicher Input an erneuerbaren Energien im Gesamtsystem speichern“, sagt Hebling. Die Ökobilanz verbessern will auch Andreas Friedrich. Und zwar beim Straßenverkehr. Wegen des Trends zum Online-Shopping wächst zum Bei- spiel die Zahl der Paketboten deutlich, die Straßen in den Städten sind dicht, die Luft dick. „Eng wird es vor allem auf der ‚letzten Meile‘ vom Logistik- zentrum zum Kunden“, sagt Friedrich, er ist Abtei- lungsleiter Elektrochemische Energietechnik am Institut für Technische Thermodynamik des Deut- schen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Mit einem Team von DLR-Forschern entwickelt er das Lastenfahrrad zum Lieferwagen der Zukunft weiter – mithilfe eines Brennstoﬀzellenmoduls, das sie Fuel Cell Range Extender (FCREX) genannt haben. „Es wird für Bedingungen ausgelegt, die Leistung, Radius und Dauer von Lastenradeinsät- zen in Innenstädten entsprechen“, sagt Friedrich. „Rund sieben Kilo wiegt der FCREX, die kleine Box kann am Fahrradrahmen befestigt werden.“ Für die nötige Leistung sorgen unter anderem Edel- metallkatalysatoren. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher den Anteil des teuren Materi- als deutlich verringern. In einer Brennstoﬀzelle, die ein Auto antreiben kann, werden bislang rund 20 Gramm Edelmetalle verbaut. Das Abgassystem eines Dieselmotors enthält acht bis zwölf Gramm, bei einem Otto-Motor sind es vier bis sechs. „Diese Größenordnungen wollen wir schrittweise errei- chen“, sagt Friedrich. 2019 gehen die Entwicklun- gen in die Endphase, 2020 soll an ausgewählten Standorten der Probebetrieb losgehen. Innerhalb eines Jahres sollen die Lastenräder zunächst bis zu 1.000 Kilometer zurücklegen können – und entsprechend hohe CO2-Emissionen gegenüber herkömmlichen Lieferwagen einsparen.  Lars Klaaßen www ONLINE Wie man Wasserstoﬀ direkt aus Sonnenlicht gewinnen könnte: https://www. helmholtz.de/energie/ wasserstoff-aus- sonnenlicht/ Lang unterwegsDie durchschnittliche Reichweite des Cargo-Bikes mit Brennstoﬀzelle liegt bei bis zu 200 Kilometern. Bild: DLR Fotomedien Helmholtz Perspektiven 01/2019 3 5

Eine Frau weint um ihr Kind, möchte ihm Lebewohl sagen. Doch die Ärzte halten sie zurück. Sie muss vor einer Ansteckung geschützt werden. Szenen wie diese gehen seit der verheerenden Ebola-Epidemie 2014 immer wieder um die Welt. Vor allem in den Staaten Westafrikas wütete die Krankheit von 2014 an für fast drei Jah- re und kostete oﬃziellen Angaben zufolge mehr als 11.000 Menschen das Leben, immer wieder ﬂammte sie auch 2018 im Kongo auf. „Gegen Ebola gab es leider noch keinen besseren Schutz als eine Kontaktsperre zu Inﬁzierten“, sagt Gérard Krause, Professor für Epidemiologie und Abteilungs- leiter des Helmholtz-Zentrums für Infektions- forschung mit Sitz in Braunschweig. Krause bereist seit einigen Jahren immer wieder afrikanische Länder, in denen sich Epide- mien wie Ebola oder die Aﬀenpocken ausbreiten. Kenia, Ghana, Mosambik und Nigeria standen im vergangenen Jahr auf der Route des Mediziners. „Besonders oft bin ich in Nigeria unterwegs“, erklärt der Epidemiologe, „vor allem weil wir zunehmend Projekte mit nigerianischen Part- nern betreiben.“ Bei seinen Reisen steht Krause aber nicht an vorderster Front im unmittelbaren Kontakt zu Patienten, sondern wirft eher aus dem Hintergrund einen Blick auf die Ausbreitung der Krankheiten. Er begutachtet, wie gut ein neues Geteiltes WissenGérard Krause schult Personal des nigerianischen Gesundheits- wesens zu SORMAS. Bild: Verena Meier

F O R S C H U N G J W D t r ä g t – w i e h i e r b e i e i n e m A ﬀ e n p o c k e n a u s b r u c h – A b g e s c h i r m t D a s m e d i z i n i s c h e P e r s o n a l d e r Ü b e r g a b e v o n B l u t p r o b e n b e i H Z I / S t u d i o 2 4 i m m e r S c h u t z k l e i d u n g . B i l d : Gut informiertKrankenhausmitarbeiter im nigerianischen Bundesstaat Oyo zeigen Gérard Krause wie Patienten registriert werden. Bild: privat video Ein Video und mehr Informationen zu SORMAS gibt es hier: https://sormasorg. helmholtz-hzi.de Instrument funktioniert, das zur Überwachung der Epidemie dient: SORMAS heißt es (Surveil- lance, Outbreak Response Management and Analysis System), und Gérard Krause hat es mit einem internationalen Team in jahrelanger Arbeit entwickelt. Erstmals wurde das System 2015 in Nigeria getestet, seither kommt es immer wieder bei verschiedenen Projekten zum Einsatz. „Ich habe das Gefühl, in afrika- nischen Ländern mit den Mitteln der Epidemiologie sehr viel mehr bewirken zu können als hier in Deutschland.“ Gérard Krause weiß um die Gefahren, in die er sich auf seinen Reisen begibt: Regelmäßig erneuert das Auswärtige Amt die Reisewarnung für Nigeria. Es ist das bevölkerungsreichste Land Afrikas, geprägt durch eine außergewöhnlich große kulturelle und landschaftliche Vielfalt: ausgedehnte Man- grovenwälder in den südlichen Küstenregionen, tropische Re- genwälder in den Bergregio- nen und Savannen im Norden. Die 190 Millionen Bewohner sprechen über 500 Sprachen, es werden mehrere Religionen praktiziert, was nicht selten zu gewalttätigen Konﬂikten führt. Aus Nigerias Norden stammt die gefährliche Terroristen- gruppierung Boko Haram. Die Lebenserwartung der Menschen steigt stetig, liegt aber dennoch nur bei gut 54 Jahren. Noch vor Südafrika ist Nigeria zwar die größte Volkswirtschaft des Kontinents, aber das politische System ist korrupt, die meisten Menschen leben in großer Armut. Wenn Gérard Krause vor Ort ist, ﬁndet er das Ansteckungsrisiko recht gering; größere Gefahr gehe von politisch motivierter Gewalt, Verkehrs- unfällen oder Entführungen aus, erzählt er. Wäh- rend der Felduntersuchungen, wenn die Forscher von Gesundheitsposten zu Gesundheitsposten auf staubigen Buckelpisten quer durch das Land rei- sen, dürfen sie deswegen auch nicht selbst fahren. „Ich bin kein Risikofreund“, sagt Krause, „würde mich aber auch nicht zu den besonders ängst- lichen Menschen zählen.“ Ihn motiviert es, wie er sagt, konkret zur Vermeidung von Infektionen beizutragen. „Ich habe das Gefühl, in afrikani- schen Ländern mit den Mitteln der Epidemiologie sehr viel mehr bewirken zu können als hier in Deutschland.“ Dass er dazu vor Ort sein muss, beweist sich für ihn jedes Mal erneut: „Man muss sich mit den Mitarbeitern direkt auseinander- setzen, und es hilft nicht, sich nur aus der Ferne Beschreibungen anzuhören, warum bestimmte Sachen nicht wie geplant funktionieren.“ Der Anruf einer ehemaligen Kollegin brachte Krause 2014 auf die Idee von SORMAS. Als Helfer mit allen Mitteln versuchten, die Aus- breitung von Ebola einzudämmen, befand sich Gérard Krause in Deutschland. In Nigeria war die Epidemie seinerzeit schnell bekämpft, während sie in den Nachbarländern weiterhin Todesopfer forderte. Die Kollegin fürchtete einen erneuten Ausbruch in Nigeria und bat Krause um gedankliche Hilfe, wie sich der Import neuer Fälle über die Landesgrenzen verhindern lassen könnte. „Zur Kontrolle der Seuche braucht es eine eﬀektive Koordination der Maßnahmen und Informationen über Inﬁzierte und deren Kontaktpersonen“, erklärt Krause. 3 8 Helmholtz Perspektiven

D i c h t g e d r ä n g t I n d e n S t r a ß e n v o n K a i z e n i f y/ W i k i p e d i a ( C C - B Y - S A - 4 . 0 ) N i g e r i a s S t ä d t e n l d : B i i s t m e i s t v i e l l o s . Richtig geschultGérard Krause erklärt Mitarbeitern des Gesund- heitswesens aus Abuja den Umgang mit SORMAS. Bild: privat Vor allem für Krankheiten wie Ebola zählt jeder Moment: Je nach Virustyp verläuft sie in 30 bis 90 Prozent der Fälle tödlich, es gibt keine wirk- samen Medikamente und damals gab es auch noch keine Impfungen. Bei den ersten Symptomen ist die Krankheit ansteckend, die Viren stecken im Blut, in allen Körperﬂüssigkeiten, im Schweiß, im Speichel, Urin oder Erbrochenen. Die Inkuba- tionszeit, die Zeit von der Infektion bis zu den ersten Symptomen, beträgt allerdings zwischen 2 und 21 Tagen. Zu identiﬁzieren, wer sich mög- licherweise angesteckt haben könnte, ist neben der Behandlung und Isolation von Inﬁzierten eine der wichtigsten Aufgaben der Mediziner gewor- den. „Die App SORMAS nutzt das in Afrika weit verbreitete Mobilfunknetz, um diese Informati- onen schnell und unkompliziert zu teilen – und nicht, wie oft noch üblich, auf dem Papier per Post oder per SMS.“ Die Auswertung der Daten erfolgt dank des Tools nicht mehr rückblickend, sondern in Echtzeit. SORMAS wurde so entwickelt, dass es die Personengruppen unterstützt, die an den Prozessen des Ausbruchsmanagements beteiligt sind. Der mit der App ausgestattete Contact Oﬃcer besucht beispielsweise jeden Tag die Kontaktper- sonen von Inﬁzierten und meldet die Ergebnisse. Die App stellt dafür täglich eine Liste bereit, die abgearbeitet werden muss – ein überaus eﬃzien- tes Ausbruchsmanagement, das inzwischen auch fürs Monitoring anderer gefährlicher Krankheiten wie etwa Aﬀenpocken oder Hirnhautentzündung erweitert wurde. „Am meisten fasziniert mich an meiner Ar- beit, dass mir immer wieder Menschen begegnen, die ein unglaubliches persönliches Engagement an den Tag legen, die wirklich für die Sache brennen, jenseits beruﬂicher Funktion oder Verpﬂichtung“, sagt Krause. „Und das, obwohl die Arbeitsbedin- gungen nicht immer gut sind.“ Bei Temperaturen zwischen 30 und 50 Grad ist die Arbeit in Nigeria nicht leicht – vor allem nicht für das medizinische Personal an vorderster Front. Setzt die Regenzeit ein, bilden sich plötzlich Flüsse, die den Kontakt zu Personen abschneiden, die es zu überwachen gilt. „Wir arbeiten deswegen bereits an der Idee eines Armbands, das potenziell Erkrankte angelegt bekommen“, erklärt der 53-jährige Forscher. „Wie eine Smartwatch soll das Armband bestimmte Daten wie etwa Körpertemperatur erheben und via Radiowellen an die Gesundheitsposten senden.“ „In Afrika sind meine Anstrengungen auf das Projekt fokussiert. Das hat etwas sehr Befriedigendes, weil man sich am Stück einer Sache widmen und viel erreichen kann.“ Besonders die Fähigkeit vieler Kollegen vor Ort, nicht so rasch zu verzagen, wenn etwas nicht so klappt wie geplant, sondern mit Zuversicht und Kreativität doch immer noch eine Lösung zu suchen, hat Krause zu schätzen gelernt. „Ich versuche, diese Einstellung auch bei Projekten in Deutschland an den Tag zu legen.“ Gleichwohl sei seine Arbeit in Deutschland kaum mit den Bedingungen in Afrika zu vergleichen: In Deutsch- land muss er sich als Abteilungsleiter innerhalb eines Tages in sehr kurzen Wechseln mit sehr unterschiedlichen Projekten befassen. „Da hat man dann selten das Gefühl, etwas erledigt oder erreicht zu haben“, bekennt er. „In Afrika sind meine Anstrengungen auf das Projekt fokussiert. Das hat etwas sehr Befriedigendes, weil man sich am Stück einer Sache widmen und viel erreichen kann.“  Isabell Spilker www ONLINE Alle Ausgaben von JWD unter: www.helmholtz.de/ jwd Helmholtz Perspektiven 01/2019 3 9

P O R T R ÄT RuhepolAusgleich für ihren durchgetakteten Alltag ﬁndet Dörte Rother auf Reisen, zum Beispiel an einem See in Schweden. Bild: Dörte Rother www ONLINE Mehr Porträts ﬁnden Sie hier: www.helmholtz.de/ portraits „Bei der Entwicklung klassischer Produktions- methoden spielen Umweltaspekte allerdings bisher eine untergeordnete Rolle“, sagt Rother. Und weil Enzyme teurer sind als viele herkömmliche Kataly- satoren, kommen sie in industriellen Herstellungs- verfahren kaum zum Einsatz. Das könnte sich bald ändern: „Wenn der gesellschaftliche Druck oder die ökologische Notwendigkeit groß genug werden, beginnt auch ein Umdenken bei der Technologie“, hoﬀt sie. „Würden nämlich die ökologischen Eﬀek- te als Kosten in den Prozess eingerechnet, dann wären viele enzymatische Prozesse schon heute wirtschaftlich konkurrenzfähig.“ Rothers Ziel ist es deshalb, biokatalytische Prozesse zusammen mit industriellen Partnern in den Produktionsmaßstab umzusetzen und Medikamente, Chemikalien oder Materialien wie Bioplastik umweltschonend her- zustellen. „In diese Richtung müssen wir denken, wenn wir unseren Kindern und Enkeln ein lebens- wertes Umfeld hinterlassen wollen.“ Diese Aspekte möchte Rother auch der nächsten Generation von Studierenden vermitteln, wenn sie an der RWTH Aachen lehrt. Derzeit arbeitet sie daran, Enzyme zu entwickeln, die sich durch Licht oder Tempe- ratur an- und ausschalten lassen. „Ziel ist es, den Ablauf unserer Reaktionskaskaden mit mehreren Enzymen in einem einzigen Reaktor ganz präzise steuern zu können“, erklärt sie. Für ihre Arbeit wurde sie mehrfach ausge- zeichnet, zuletzt bekam sie etwa einen Starting Grant des Europäischen Forschungsrates und wird im Rahmen eines FET-Open-Projekts („Future and Emerging Technologies“) gefördert. Bei allen Auszeichnungen bleibt Rother bescheiden, als ihr 4 2 Helmholtz Perspektiven 01/2019 persönliches Verdienst sieht sie die Auszeich- nungen nicht. „Wenn man seiner Arbeit mit Be- geisterung nachgeht, Ideen vorantreibt und kreativ ist, kann Neues entstehen – mit etwas Glück ein gutes Verfahren oder ein Produkt, für das man einen Preis bekommt“, meint sie. Entscheidend sei das gute Arbeitsumfeld und ein Netzwerk mit Kollegen verschiedener Fachrichtungen. Eine Zeit lang forschte Dörte Rother in Stock- holm. Sie liebt die Natur Schwedens, beeindruckt hat sie aber auch das Arbeitsleben: „Kinder zu haben und weiter zu arbeiten ist in Skandinavien viel selbstverständlicher als bei uns“, schildert die dreifache Mutter ihre Erfahrung. Das liege an der guten Kinderbetreuung, kinderfreundlich gestalteten Arbeitszeiten und auch daran, wie sich skandinavische Eltern die Aufgaben in einer Familie teilten. „Hier in Deutschland sehe ich eher das Problem, den zeitlichen Anforderungen einer Professur gewachsen zu sein, wenn man zudem Kinder großzieht. Man muss schon strukturiert arbeiten können und der Lebenspartner sollte mit- ziehen – was bei uns glücklicherweise der Fall ist.“ Die Frage „Kind oder Karriere“ hat sie sich nie gestellt. Das mag am Vorbild ihrer Eltern liegen, die auch mit Nachwuchs beide weiter gear- beitet haben. Dass sie selbst nach Schulschluss von einer Kinderfrau betreut wurde, empﬁndet Rother als Bereicherung. „So habe ich gelernt, mich auf verschiedene Charaktere einzulassen. Unsere ‚Tan- te Anni‘ hatte zum Beispiel einen ganz anderen Er- ziehungsstil als meine Eltern.“ Heute freut sie sich zu sehen, wie ihre eigenen Kinder den Umgang mit verschiedenen Bezugspersonen und Kulturen lernen. „Letztes Jahr hatten wir als Au-pair eine junge Argentinierin in der Familie. Es war toll, wie sie und die Kinder miteinander umgegangen sind, obwohl sie am Anfang gar kein Deutsch sprach.“ Ausgleich für ihren durchgetakteten Alltag ﬁndet Rother auf Reisen, beruﬂich oder privat. Wenn es die Zeit erlaubt, gehen sie und ihr Mann auf Radtouren. „Früher bin ich nie an einen Ort zweimal gefahren“, erzählt sie. „Jetzt haben wir an einem See in Schweden – wo sonst? – einen großartigen Ort für uns und unsere Freunde entdeckt.“ Auch der Sport, der ihr schon in der Jugend so wichtig war, ist fester Bestandteil ihrer Freizeit. „Mein sonntagmorgendliches Rudern ist mir heilig“, betont sie. „Das hilft mir übrigens auch dabei, komplexe Anträge oder Manuskripte zu erstellen – drei Runden über den See und ich habe die Struktur im Kopf.“  Ulrike Schneeweiß

K L E I N E F O R S C H E R Das Glasauge E X P E R I M E N T Täglich erfassen wir unsere Umwelt mit Tausenden von Bildern. Aber wie entstehen diese Bilder und welche Rolle spielen dabei die Augen? In diesem Experiment könnt Ihr das Auge nachbauen. Das brauchst du: So wird's gemacht: 1. Klebe als Erstes mit dem Klebeband das Papiertaschentuch außen auf eine Seite der Kugelvase. 2. Falte das Kartonpapier zur Hälfte und schneide eine halbe Figur aus (Größe circa 2–4 cm). Die Figur sollte sich in Oben und Unten eindeutig unterscheiden – wie zum Beispiel ein Hase. 3. Stelle nun die Lupe mithilfe der Knete vor das Glas auf die gegen- überliegende Seite. Mit der Knete kannst du nun auch deine ausgeschnittene Figur mit ein bisschen Abstand vor die Lupe stellen. 4. Strahl nun mit der Taschenlampe die ausgeschnittene Figur von hinten an. 5. Mit ein bisschen Übung (durch Verschieben der Lupe beziehungs- weise der ausgeschnittenen Figur) erscheint auf dem Taschentuch eine scharfe umgedrehte Abbildung der Figur. lupe lupe knete knete knete Goldfischglas oder Kugelvase (circa 20 cm Durchmesser) klebeband klebeband Kartonpapier Kartonpapier Kartonpapier schere schere schere Papiertaschentuch Papiertaschentuch oder küchenkrepp oder küchenkrepp oder küchenkrepp Taschenlampe Taschenlampe Taschenlampe Taschenlampe Taschenlampe Erklärung: Der Lichtstrahl, der durch die ausgeschnittene Figur geht, fällt auf die Lupe. Sie stellt die Linse unseres Auges dar. Die Lupe beziehungs- weise Linse bricht die Lichtstrahlen der Figur so, dass ein Abbild erzeugt wird. Dieses erscheint dann umgedreht und verkleinert auf dem Taschentuch. Es stellt die Netzhaut beziehungsweise Retina unseres Auges im Augenhintergrund dar und die Kugelvase den Augapfel. Die Netzhaut wiederum sendet entsprechende Signale über den Sehnerv zum Gehirn. Dort wird das Bild umgedreht. Der Grund: Als Säuglinge und Kleinkinder haben wir Gegenstände erfühlt. Deswegen wissen wir, wie herum sie gehören, und drehen das Bild im Kopf automatisch um. VIDEO www ONLINEINE Den Versuch gibt es auch als Video unter: Mehr über die Sc Mehr über die Schülerlabor www.helmholtz.de/experiment wwwwww.helmholtz.de/schueler Gläsernes Labor Die fünf Schülerlabore des Gläsernen Labors auf dem Campus Berlin-Buch bieten mehr als 20 Experimentierkurse zu den Themen Molekularbiologie, Herz-Kreislauf, Neurobiologie, Chemie, Radioaktivität sowie Ökologie für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe an. Es wurde vom Max- Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft gegründet und feiert 2019 sein 20-jähriges Jubiläum. Dieses Experiment stammt von: Gläsernes Labor Campus Berlin-Buch GmbH Robert-Rössle-Str. 10, 13125 Berlin Tel.: +49 30-94892928 E-Mail: info@glaesernes-labor.de www.glaesernes-labor.de Helmholtz Perspektiven 01/2019 4 3