Perspektiven_02_Mai2019

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Tetris auf dem Acker Futuristische Kornkreise? Lande- plattformen für Raumschiﬀe? Oder doch ein gigantisches Tetris-Spiel? Tatsächlich zeigt unser Wissen- schaftsbild riesige Antennenfelder in den Niederlanden, die Teil des Radioteleskops LOFAR sind. Seit Jahrhunderten beobachten Forscher das sichtbare Licht der Sterne. Doch auch andere Fre- quenzen des elektromagnetischen Spektrums liefern Informationen über das Universum. Das Teleskop LOFAR fängt Radiowellen aus dem Weltall auf und kann so extrem weit entfernte Galaxien aufspüren. LOFAR ist über sieben Länder in Europa verteilt und besteht aus insgesamt 51 Empfangsstationen. Die Antennenblöcke auf diesen Stationen messen hohe Radiowel- lenfrequenzen zwischen 110 und 240 Megahertz. Die verstreuten Di- polantennen fangen niedere Fre- quenzen zwischen 10 und 80 Mega- hertz auf. Die Stationen sind mit- einander vernetzt, Supercomputer kombinieren die Messsignale zu einem einzigen. Aus 100.000 Einzelantennen entsteht so eine virtuelle Empfangsschüssel mit 1.900 Kilometern Durchmesser. Kürzlich haben Forscher eine Him- melskarte mit LOFAR erstellt: Viele der dort abgebildeten Galaxien waren bisher unbekannt. Die re- gistrierten Radiowellen sind zuvor Milliarden von Lichtjahren gereist, bis sie die Erde erreichten.  Franziska Roeder www ONLINE Mehr eindrucksvolle Bilder aus der Wissenschaft ﬁnden Sie hier: www.helmholtz.de/ wissenschaftsbild Helmholtz Perspektiven | Winter 2016/17 i y m o n o r t s A o d a R r o f e t u t i t s n I s d n a l r e h t e N N O R T S A : d l i B 3

I N H A LT TITELTHEMA FORSCHUNG IT-Sicherheit vorab mitdenken Interview mit Michael Backes Neues aus der Welt der Helmholtz-Gemeinschaft 08 Die unsichtbare Armee Über das Wettrüsten zwischen kriminellen Hackern und IT-Sicherheitsforschern 14 WISSENSCHAFTSBILD 02 Tetris auf dem Acker INFOGRAFIK 06 Solarenergie Was können Solarzellen heute und in Zukunft leisten? STANDPUNKTE 24 Wie unabhängig können Doktoranden forschen? Zwei Blickwinkel: Heinz Kalt und Tom Lienig 30 Muss Forschern der Rücken freigehalten werden? Forscher sollten sich mit mehr als nur ihrer Forschung beschäftigen, findet Ines Thronicker PORTRÄT 40 Gipfelstürmer im zweiten Anlauf Wolfgang Wernsdorfer Resonator-Podcast Jubiläum der Neumayer-Station III Der kompakteste Teilchen- beschleuniger 07 Helmholtz extrem 16 Helmholtz kompakt 19 20 Kampf gegen das Vergessen 26 Es liegt was in der Luft 31 Nachgefragt Warum brummen Hochspannungsleitungen? 32 Jede einzelne Zelle im Blick 36 JWD Nikolaus Rajewsky im Gespräch über die Geheimnisse der Zellen Wie Forscher versuchen, die Ur- sachen für Alzheimer aufzuklären Was ist eigentlich gute Luft und woher kommen die Schadstoffe? „Wir sehen, hören und fühlen den Klimawandel“ EXPERIMENT 43 Kleine Forscher Das Insektenhotel 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, Marie Heidenreich, Kilian Kirchgeßner, Roland Koch, Uli Ries, Franziska Roeder, Martin Trinkaus, Agata Tuzimek, Kerstin Viering Bildnachweise Titel/Umschlag: Makstorm/Shutterstock; S. 4–5: Franziska Roeder (Collage), Nikita Kachanovsky/ Unsplash, Gregor Cresnar/Flaticon, Gabriele Rohde/ Fotolia, sanderstock/Fotolia, A. Rybak Wolf/MDC, KIT/ Sandra Göttisheim, Doris Abele/AWI; S. 6: Franziska Roeder (Infografik), freepik, Nikita Golubev/flaticon; S.8–9: Franziska Roeder (Collage), Nikita Kachanovsky/ Unsplash, Gregor Cresnar/Flaticon; S. 10: Uli Deck/ dpa; S.13: Franziska Roeder (Collage), Gregor Cresnar/ Flaticon, KIT; S.14–15: CISPA; S. 17: Mike Bridavsky/ lilbub.com, NASA/NOAA; S. 18: Holger/Fotolia, Helmholtz Zentrum München; S. 19: Freepik; S. 20: Gabriele Rohde/ Fotolia; S. 21: Lina Truman/Shutterstock, A. Bueckert/ Fotolia; S. 22: Lina Truman/Shutterstock; S. 23: gpoint- studio/Shutterstock; S. 24–25, 30: Jindrich Novotny; S. 26: sanderstock/Fotolia; S. 27: New Africa/Fotolia; S. 29: alexkich/Fotolia; S. 35: Spencer Phillips/EMBL-EBI, Pablo Castagnola/MDC; S.36–37: Anders Torstensson/ AWI; S.38–39: Bernd Krock/AWI; S. 41: KIT/Sandra Göttisheim; 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 02/2019

E D I T O R I A L Liebe Leserinnen, liebe Leser, Erst kürzlich bekam ich eine vertrauliche E-Mail eines Freundes in größter Not. Er bat mich, dringend Geld zu schicken. Natürlich alles Betrug! Richtig gefährlich können Hackerangriﬀe bei Kraftwerken oder selbst- fahrenden Autos sein. Wie Forscher versu- chen, den Vorsprung krimineller Hacker aufzuholen, erfahren Sie in unserer Titelge- schichte „Die unsichtbare Armee“. Nicht mehr zu stoppen ist jedoch die Erderwärmung. Es liegt an uns, sie auf ein erträgliches Maß zu reduzieren. Wie die Polarforscherin Doris Abele den Klimawandel während ihrer Antarktisexpeditionen wahr- nimmt, schildert sie in unserer Rubrik JWD. In unserem Porträt geht es nicht ins Eis, sondern auf hohe Gipfel mit Wolfgang Werns- dorfer, einem gelernten Elektriker, Hobby- bergläufer und preisgekrönten Physiker. 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 02/2019 5

I N F O G R A F I K Solarenergie Zusammen mit erneuerbaren Energien aus Wasserkraft und Wind, Smart Grids und innovativen Speicher- technologien könnte die Photovoltaik (PV) den gesam- ten Energiebedarf unserer Gesellschaft abdecken. In rund 60 Minuten liefert die Sonne so viel Energie zur Erde, wie die Menschheit in einem Jahr verbraucht.2,3 567km x 567km groß müsste eine Fläche in der Sahara voll mit Solaranlagen sein, um den Energiebedarf der Welt zu decken. Das sind 3,5 % der Sahara.2,3,4 Anteil der erneuerbaren Energien an der Netto- Gesamtstromerzeugung in Deutschland 20181 43 % 8,7 % nur Photovoltaik1 Rund 24 Millionen Tonnen Netto-Treibhaus- gasemissionen konnten 2017 in Deutschland durch PV vermieden werden.1 22 m2 Solarmodule reichen aus, um den Jahresstromverbrauch einer vierköpfigen Familie zu decken.5 Potenzial der PV in Deutschland Würden in Deutschland alle geeigneten Freiﬂächen, Dächer und Fassaden mit PV-Anlagen ausgestattet werden, könnte eine Leistung von 500 Gigawatt erzielt werden. Aktuell sind in Deutschland PV-Module mit einer Nennleistung von 45,9 Gigawatt installiert.1 Forschung an neuen Solarzellen Aktuell erreichen Solarzellen auf Siliziumbasis Wirkungsgrade von 20 %. Derzeit wird an Tandem-Solarzellen geforscht, die aus zwei oder mehr übereinander geschichteten Solarzellen aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Sie könnten einen größeren Spektralbereich des Sonnenlichts nutzen und theoretisch Wirkungsgrade von mehr als 40 % erreichen.6 Quellen: 1) www.pv-fakten.de; Jahresstromverbrauch einer vierköpfigen Familie in Deutschland = 4.400 KWh 2) BP Statistical Review of World Energy, 67th edition 2018; Welt- energieverbrauch 2017 =157.135,25 TWh 3) https://de.wikipedia.org/wiki/Sonnenenergie; Sonnenenergie zur Erde = 1.500.000.000 TWh; durchschnittliche Sonnenenergie in der Sahara = 2350 KWh pro m2 pro Jahr 4) https://de.wikipedia.org/wiki/Sahara; Größe der Sahara = 9.200.000 km2 5) Rechnung basierend auf Quelle 1 für 2017 und Wirkungsgrad 20 % 6) Potenzial von Tandemzellen von Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) 6 Helmholtz Perspektiven 02/2019

HELMHOLTZ extrem Der kompakteste Teilchenbeschleuniger F O R S C H U N G Schnell auf Tempo In sogenannten Plasmazellen werden Plasmen erzeugt und eingeschlossen, um Elektronen auf einer sehr kurzen Strecke zu beschleunigen. Bild: Lawrence Berkeley National Laboratory, Marilyn Chung Stellen Sie sich 8,5 Billionen 100-Watt-Glühbirnen vor, die alle gleichzeitig leuchten. Diese Leistung hat ein lediglich 20 Zentimeter langer Plasma- Teilchenbeschleuniger erbracht. Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory in den USA beschleunigten in einer 0,8 Millimeter breiten und hauchdünnen Röhre Wasserstoﬀgas-Elektronen auf rund 7,8 Milliarden Elektronenvolt. Für diesen Wert benötigen moderne, konventionelle Teilchen- beschleuniger mehrere Hundert Meter Länge. Die Wissenschaftler schaﬀten dieses Kunst- stück, indem sie eine andere Methode nutzten. Herkömmliche Teilchenbeschleuniger arbeiten mit Radiowellen, um beispielsweise Elektronen immer schneller voranzutreiben. Je höher die Teilchenenergie sein soll, desto größer müssen auch die Anlagen sein – und somit teurer. Bei der Laser-Plasmabeschleunigung hingegen pﬂügt ein kurzer, heller Laserpuls durch ein Plasma. Wie ein Schnellboot auf einem See erzeugt der Laserpuls kräftige Heckwellen in seiner Bahn. Diese Plasma- wellen können Teilchen viele Hundert Male stärker beschleunigen als konventionelle Beschleuniger. Teilchenbeschleuniger sind in vielen Bereichen unverzichtbare Werkzeuge – von der Forschung über die Industrie bis zur Medizin. Auch wenn bei der Plasmabeschleunigung noch zahlreiche Herausforderungen gemeistert werden müssen, stelle sie die Weichen für günstigere und vor allem drastisch kleinere Teilchenbeschleuniger sowie neue Anwendungen, erklärt DESY-Forscher Wim Leemans. „Die Entwicklung stabiler Plasmabe- schleuniger mit einer Energie von etwa zehn Giga- Elektronenvolt markiert einen Meilenstein auf dem Weg vom Labor zu ersten Anwendungen.“ Wim Leemans war zuvor Leiter des Berke- ley Lab Laser Accelerator Centers (BELLA) und ist heute Beschleunigerdirektor am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY, wo er die Methode weiterentwickeln möchte. „Zusammen mit ande- ren Verfahren zur Kontrolle von Beschleunigung, Strahlstabilität und -qualität, die es bei DESY be- reits gibt, wird dies kompakte Elektronenquellen möglich machen.“  Annette Doerfel www ONLINE Alle Ausgaben von HELMHOLTZ extrem unter: www.helmholtz.de/ extrem Helmholtz Perspektiven 02/2019 7

fen. Etwa dann, wenn die Software von selbst- fahrenden Autos anfällig ist oder Angreifer die Komponenten manipulieren können, mit denen Kraftwerke, Stromnetze oder Wasserleitungen gesteuert werden. Angriﬀe auf Industrieanlagen wie Ölraﬃnerien in Saudi-Arabien oder einen Hochofen in Deutschland sind bereits akten- kundig. „Software is eating the world“, sagte einmal der Internetpionier Marc Andreessen: Nichts mehr, so macht dieser Satz deutlich, funktioniert in modernen Gesellschaften ohne Software. Aber Anwendungen und Betriebssysteme sind von Menschen programmiert – und Menschen machen Fehler. Unerhört leicht machen es Entwickler den kriminellen Hackern, wenn sie ihre Produkte so nachlässig erstellen, wie es derzeit rund ums Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) zu beobachten ist, zu dem sowohl gesamte Produk- tionsanlagen als auch Heizungsthermostate und Webcams in Privathaushalten gehören: „Bei besonders günstigen Produkten ist kein Hersteller bereit, für Sicherheit Geld auszugeben“, sagt Jörn Müller-Quade, Sprecher des Kompetenzzentrums KASTEL am Karlsruher Institut für Technologie (KIT): „Solange es keine Anreize gibt und es der Kunde eh nicht merkt, wird nicht sicher entwi- ckelt. Zumal sich Lücken ja vermeintlich bequem per Update beheben lassen.“ T I T E LT H E M A V Versetzen wir uns für einen Moment in den Kopf eines böswilligen Hackers: In den Computer seines Opfers will er vordringen, um zu schauen, was er an Daten absaugen kann und ob er über die Kontodaten nicht vielleicht auch an Geld herankommt. Er sitzt irgendwo in der Welt und ist nur über das Internet mit seinem Opfer verbunden. Um voranzukommen, sucht er nach Einfallstoren. „Statistisch gesehen“, sagt Thorsten Holz, Professor der Fakultät für Elektro- technik und Informationstechnik an der Ruhr- Universität Bochum, „ﬁndet sich alle 20.000 Code- zeilen ein Programmierfehler.“ Was der arglose Computernutzer nicht weiß: Allein schon, wenn er eine Webseite aufruft, sind mehr als 100 Millionen solcher Codezeilen nötig, damit Betriebssystem, Browser, graﬁsche Nutzeroberﬂäche und Soft- warebibliotheken zusammenarbeiten. Rein rechnerisch öﬀnen sich dem Hacker damit allein beim Laden einer Webseite gut 2.000 Einfallstore in Form von Programmier- fehlern. „Bugs“ nennen Fachleute solche Fehler, und natürlich lässt sich nicht jeder dieser Bugs so missbrauchen, dass der Angreifer anschlie- ßend die Kontrolle über Computer, Smartphone oder Server seines Opfers hat – aber eine einzige schwerwiegende Lücke reicht schon aus. Bei solchen Hackerangriﬀen geht es aller- dings nicht nur um Geld oder geheime Daten: Im schlimmsten Fall kann es Menschenleben betref- „Von Computern erzeugter Programmcode ist sicherer als der, den der Mensch schreibt.“ Jörn Müller-Quade, Leiter der Forschungsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT und Sprecher des Kompetenzzentrums KASTEL 1 0 Helmholtz Perspektiven 02/2019

„Statistisch gesehen ein Programmierfehler.“ findet sich alle 20.000 Codezeilen Hacken als Teamsport Bei den sogenannten Black-Hat-Konferenzen wie hier in Las Vegas treﬀen sich Tausende Hacker und IT-Experten. Teilnehmer können sich in Wettbewer- ben messen: Dabei gilt es, eigene Sicherheitslücken zu schließen und die Schwach- stellen der Kontrahenten auszunutzen. Bild: AP Photo/John Locher Um beim Wettrennen mit böswilligen Hackern nicht ins Hintertreﬀen zu geraten, bedienen sich verantwortungsbewusste Entwickler der- zeit zweier Strategien: Entweder versuchen sie, Schwachstellen zu vermeiden – „beispielsweise durch Code-Analysen während des Entwicklungs- prozesses“, so der Bochumer Forscher Thorsten Holz. Angesichts der Komplexität moderner Softwaresysteme ist das jedoch ein schwieriges Unterfangen. Abhilfe schaﬀen könnten Computer, wie Jörn Müller-Quade erklärt: „Von Computern erzeugter Programmcode ist sicherer als der, den der Mensch schreibt. Ein passendes Tool dafür zu entwickeln ist zwar teuer, kann sich aber rechnen, wenn sich damit verschiedenste Softwaresysteme programmieren lassen.“ Die zweite Schule ist der reaktive Ansatz, also das Aufspüren von Schwachstellen in beste- henden Systemen. Beim sogenannten Fuzzing bombardieren wohlmeinende Angreifer die Software mit zufälligen Eingaben, versuchen sie damit zum Absturz zu bringen und so neue Bugs zu entdecken. „Der reaktive Ansatz ist derzeit der beste Weg, um die Qualität existierender Software zu verbessern“, sagt Thorsten Holz. Die Hilfe sol- cher wohlgesonnener Hacker, die entweder gratis oder auch gegen Bezahlung arbeiten, sei deshalb nicht zu unterschätzen. Für mehr Sicherheit im Internet der Dinge sorgen auch Schutzmechanismen, die in den vergangenen zwei Jahrzehnten entwickelt worden sind – Tech- nologien mit komplizierten Namen wie Secure Boot (verhindert die Installation von manipulierter Software), Zugriﬀssteuerung oder Secure Deve- lopment Lifecycles (strukturierter Prozess zum Schreiben sicherer Software). Eine weitere Erfolgsmeldung aus dem Fachgebiet Cybersicherheit: Experten wie Thorsten Holz und Jörn Müller-Quade sind sich einig, dass sich die Qualität des Codes zumindest bei den klassischen Softwareherstellern wie Microsoft, Apple, Google oder Adobe in den vergangenen Jah- ren spürbar verbessert hat. Was sich zum einen an den Summen ablesen lässt, die Graumarkthändler für Angriﬀe auf die Produkte dieser Hersteller bie- ten: Bis zu drei Millionen US-Dollar beispielsweise bekommen die Zulieferer – Sicherheitsexperten aus aller Welt – für eine Attacke auf Apples iOS- Betriebssystem. Zum anderen zeigt es sich auch an öﬀentlichen Hacker-Wettbewerben: Früher waren es Einzelkämpfer, die Geldprämien gewonnen haben, weil sie in einen Windows-PC oder ein Android-Smartphone eingedrungen sind; heute treten Teams mit zehn und mehr Mitgliedern an, weil es deutlich komplizierter geworden ist, überhaupt noch geeignete Einfallstore zu ﬁnden. Helmholtz Perspektiven 02/2019 1 1

T I T E LT H E M A Das Paradebeispiel für grundlegende Problem- lösungen innerhalb der IT-Sicherheit ist für Jörn Müller-Quade die Kryptograﬁe. Sie kann zwar keine Programmierfehler verhindern, aber eine ganze Klasse von Angriﬀen unterbinden und ist damit Teil des Cybersicherheits-Fundaments. Ein Beispiel: Wenn Angreifer Daten mitschneiden, die von einem Computer aus übertragen werden, lassen sie sich so verschlüsseln, dass sie keinen Aufschluss über den Klartext zulassen. Damit lässt sich also die gesamte Klasse „Lauschangriﬀ“ auskontern. Würde man dieses Prinzip ﬂächen- deckend auf andere Problembereiche anwenden, hätten es Angreifer erheblich schwerer. Für Müller-Quade ist die Kryptograﬁe weitaus mehr als nur die Verschlüsselung von Datentransfers oder Nachrichten. Sie kann beispielsweise auch die sichere Mehrparteien- berechnung ermöglichen – also das Arbeiten mit Daten, die deren Besitzer nicht preisgeben will. „Nützlich wäre dieses kleine, durch Kryptograﬁe mögliche Wunder beispielsweise bei automati- sierten Preisverhandlungen, bei denen weder Verkäufer noch Käufer ihre jeweiligen preislichen Schmerzgrenzen verraten wollen“, so Müller- Quade. Die Software übernimmt bei diesem Vorgehen quasi die Verhandlung, ohne dass die Beteiligten ihre Betriebsgeheimnisse wie Herstellungskosten, Marge oder Preise anderer Anbieter verraten müssen. Ein weiteres Einsatzgebiet könnte der Energiemarkt sein, in dem es bei Produktionsspitzen zu bestimmen gilt, welcher Produzent liefern darf und welcher abschalten muss. Hier müssten die Kraftwerks- betreiber nicht oﬀenlegen, wie groß ihre Über- produktion ist, damit sie eine stärkere Verhand- lungsposition behalten können. Im Moment sind die notwendigen Verfahren aber noch weit entfernt von der Praxistauglich- keit: Die verteilten Berechnungen dauern um ein Vielfaches länger als eine zentral abgewickelte Berechnung. Müller-Quade ist sich aber sicher, dass seine Zunft in den nächsten Jahren eine praktikable Lösung entwickeln kann. Angreifer kommen aber nicht nur über Softwareschwachstellen in fremde Computersys- teme. Sie nutzen auch die Schwachstelle Mensch aus – „Social Engineering“ nennen das Experten. Eines der gängigsten Mittel hierzu sind nach wie vor gezielt verschickte E-Mails, sogenannte Spear-Phishing-Mails. Die Adressaten bekommen dabei Mails, die perfekt auf sie zugeschnitten sind und somit vertrauenswürdig erscheinen. Die gängigste Spear-Phishing-Masche lockt die Opfer auf Phishing-Seiten, die Nutzernamen und Passwörter abgreifen. Laut dem Internet Security Threat Report 2018 des Sicherheitsanbieters Sy- mantec waren Phishing-Mails in 71 Prozent aller Was ist Spear-Phishing? Datenangriﬀ per E-Mail, der auf ganz bestimmte Personen, Organisationen oder Unternehmen abzielt (spear= englisch für Speer, phishing = Neologismus von ﬁshing, englisch für Angeln). Die E-Mails scheinen ebenso wie bei ungezielteren Phishing- Kampagnen von einer vertrauenswürdigen Quelle zu stammen. Als Absender wird in der Regel ein bekanntes Unternehmen oder eine Internetplattform mit hoher Mitgliederzahl wie Ebay oder Facebook angegeben. Für Spear-Phishing kapert der Angreifer allerdings die Identität eines Freundes oder Kollegen des Empfängers, sodass der Absender vertrauenswürdig erscheint. Bei Spear-Phishing handelt es sich meist um gezielten Finanzbetrug oder das Abschöpfen von Geschäftsgeheimnissen oder sogar militärischen Informationen. 1 2 Helmholtz Perspektiven 02/2019

erfolgreichen Angriﬀe das Einbruchswerkzeug. Und dem Dienstleistungsunternehmen Verizon Business zufolge, das Angriﬀe aus der ganzen Welt aufgearbeitet hat, waren in 635 von 1.800 Fällen geklaute Anmeldedaten für den Erfolg der Hacker verantwortlich. Datendiebe müssen sich also gar nicht mit Firewall & Co. herumschlagen, wenn ihnen die Betroﬀenen die Zugangsdaten frei Haus liefern. Auch die erwähnte Attacke auf den Hochofen im Ruhrgebiet begann mit Spear- Phishing. „Die Nutzer müssen verstehen, dass sie Teil der Lösung sind. Andernfalls werden sie Teil des Problems“, sagt Melanie Volkamer vom KIT. Orga- nisationen, die ihre Mitarbeiter für Cybersicher- heitsthemen sensibilisieren, dürfen aber nicht zu kurz springen: „Eine Schulung zur Passwort- sicherheit verpuﬀt, wenn nicht gleichzeitig eine Software zum Passwortmanagement bereitgestellt wird“, so Volkamer. Denn ohne ein solches Tool kann das Erlernte nicht in der Praxis angewandt werden. Volkamer sieht aber noch „Luft nach oben“ in Sachen Nutzerfreundlichkeit. Zwar habe beispielsweise Software zur Verschlüsselung von E-Mails Fortschritte gemacht. „Großen Nachhol- bedarf gibt es aber bei Dialogen in Software, die auf Sicherheitsprobleme hinweist“, sagt Melanie Volkamer. Laien verstehen diese Sicherheitspro- bleme oft nicht und können nicht einschätzen, wie groß das dahinter stehende Risiko ist, wenn sie die Meldung mit der Maus einfach wegklicken. Daher wünscht sich Volkamer, dass die weltweite IT-Sicherheitsgemeinde dieses Problem gemein- sam angeht, um hilfreichere Hinweise und Dialoge zu entwickeln. Das beherrschende Thema der kommen- den Jahre dürfte das Absichern von künstlicher Intelligenz (KI) werden, darüber besteht unter den Experten Einigkeit. Am Institut von Thorsten Holz befassen sich Doktoranden beispielsweise damit, die zur Spracherkennung in Produkten wie Amazons Alexa verwendeten neuronalen Netze auszutricksen: So könnte eine uns Menschen als banal erscheinende und in einer Sound-Datei gespeicherte Frage (zum Beispiel „Wie ist das Wetter in Hamburg?“) so manipuliert werden, dass die sprachgesteuerte Assistentin die Alarmanlage ausschaltet. Aus den Erkenntnissen der Bochumer Doktoranden lassen sich dann Abwehrmaßnahmen konstruieren. „Bevor KI-Software in kritischen Systemen landen darf, muss noch viel passieren“, resümiert Holz. Er geht aber davon aus, dass die notwendigen Durchbrüche machbar sind. Einen dieser Durchbrüche könnte das KIT bei- steuern: Dort will man ein System entwickeln, das verschiedene Lösungsansätze zur Datensicherheit vergleichen kann. „Eine solche Bewertung hat enorme Relevanz für Wirtschaft und Gesellschaft“, glaubt Jörn Müller-Quade. Schließlich geht es um nichts weniger, als die Welt davor zu bewahren, doch noch von Software verschlungen zu werden, wie es einst der Internetpionier Marc Andreessen formulierte.  Uli Ries www ONLINE Haben Sie eine Payback-Karte? Mehr zu Bonuskarten erfahren Sie in Folge 127 des Resonator-Podcasts: www.helmholtz.de/ resonator-127 „Die Nutzer muessen verstehen, dass sie Teil der Loesung sind. Andernfalls werden sie Teil des Problems.“ Melanie Volkamer, Expertin für IT-Sicherheit am KIT Helmholtz Perspektiven 02/2019 1 3

T I T E LT H E M A „Die einzige wissenschaftliche Disziplin, in der es Echte Gegner gibt“ Was müssen wir tun, damit das Internet sicherer wird? Michael Backes, Gründungsdirektor des Helmholtz-Zentrums für Informationssicherheit – CISPA, im Gespräch über die Aufgaben für die Politik und jeden einzelnen Nutzer – und darüber, weshalb die Cyber-Angreifer nicht immer die Nase vorn haben müssen. Herr Backes, welchen Lebensbereich berührt Cybersicherheit eigentlich nicht? Keinen. IT-Sicherheit ist eines der wich- tigsten Themen des 21. Jahrhunderts, da sie quasi jede moderne technische Entwicklung berührt, vom autonomen Fahren bis hin zur Patientenversorgung in Krankenhäusern. Die viel diskutierte künstliche Intelligenz ist chancenlos ohne gründliche Absicherung. Selbst beim Schutz unserer Demokratien spielt Cybersicherheit eine wichtige Rolle, wenn Sie an Wahlautomaten oder E- Voting-Lösungen denken. Haben die Verteidiger eigentlich eine re- alistische Chance gegen die Angreifer? Man muss unterscheiden zwischen mangelnder Sorgfalt bei Unternehmen und Privatleuten, die immer größere Da- tenberge anhäufen und somit ins Visier von Cyberkriminellen geraten, und den Angreifern, die tatsächlich unbekann- te Schwachstellen missbrauchen. Die Forschung, um solche Schwachstellen zu verhindern, ist eine vergleichsweise junge Wissenschaft. Außerdem ist es die einzige wissenschaftliche Disziplin, in der es echte Gegner gibt: Kaum dass ein Problem gelöst wird, kommt ein Angrei- fer und hebelt den Schutzmechanismus wieder aus. Daraus folgt ein Wettrüsten. Die entscheidende Frage bleibt: Wie können die Verteidiger gewinnen? Indem Unternehmen und Forscher aufhö- ren, an den Symptomen herumzudoktern. Wer immer nur die nächste Software- Schwachstelle schließt, hat keine Zeit für Grundlegendes. Stattdessen müssen wir durch disruptive Forschung grundlegen- de Probleme aus der Welt schaﬀen; das wird nicht ein allumfassendes Konzept sein, sondern viele Lösungen für viele Probleme. Also ein Ansatz, die künstliche Intelligenz sicherer zu machen, einer für sichere Kommunikation, einer zum sicheren Surfen und so weiter. Machen Sie sich mit dieser Aussage Freunde bei Unternehmen? Moderne Unternehmen, die selbst Soft- ware entwickeln, haben große Sorgen vor Sicherheitslücken, vor allem im Zusammenhang mit autonomen Anwen- dungen wie selbstfahrenden Autos oder diagnostischen Systemen in der Medizin. Die derzeitigen Probleme lassen sich nur lösen, wenn man sie in der Tiefe versteht. Und da kommt die Forschung ins Spiel: Weil wir uns mit genau diesen Aufgaben beschäftigen, sucht die Industrie unser Wissen. Sie will auch endlich aufhören, Produkte immer nur ein bisschen siche- rer zu machen, und erhoﬀt sich vielmehr Verfahren, die nicht angreifbar sind. Gibt es Beispiele für solche grundlegen- den Verbesserungen? Da fällt mir natürlich Verschlüsselung ein. Moderne kryptograﬁsche Verfahren wie hinreichend lange Schlüssel sind nicht zu knacken. Jedenfalls nicht, wenn die entsprechenden Verfahren korrekt als Software implementiert werden. Wer es schaﬀen will, eine solche Verschlüsselung zu brechen, müsste einen fundamentalen mathematischen Durchbruch erzielen. Sie erwähnten medizinische Systeme. Wie kann die Wissenschaft hier helfen? Wir arbeiten beispielsweise an einem Verfahren, das die zentrale Auswertung von Studiendaten erlaubt. Bisher dürfen Institute diese Daten nicht mit anderen teilen, aus Datenschutzgründen. Über Jahrzehnte gesammelte Daten von Zehn- tausenden Patienten können also nur dezentral analysiert werden. Das wollen wir ändern. Könnte die Medizin davon wirklich proﬁtieren? Aber natürlich: Forscher könnten beispielsweise auf Machine Learning basierende Diagnoseverfahren entwi- ckeln. Sie helfen, Krankheiten besser zu verstehen, indem sie die riesigen Datenmengen analysieren, die bereits vorhanden sind. Dieser Wissensschatz ist 1 41 4 Helmholtz Perspektiven 02/2019

Wie stehen denn die Chancen, dass es eines Tages sichere autonom fahrende Autos gibt? Wenn wir uns die nötige Zeit nehmen – und ich gehe hier von etlichen Jahren aus –, dann bin ich sehr zuversichtlich. Das klingt vor allem nach Aufgaben für Experten. Wie steht es denn mit den normalen Computernutzern zu Hause – wie können sie sich schützen? Die immer wieder genannten Schutzme- chanismen wie Firewalls, Virenscanner, Zugriﬀskontrollen und Verschlüsselung sind in jedem Fall unabdingbar, da sie wirksam sind. Und das gilt nicht nur für Privatanwender, sondern auch für Unternehmen. Außerdem empfehle ich jedem Anwender, sich einen Passwort- manager zuzulegen, um die Sicherheit von Kennwörtern zu erhöhen. All dies ist aber natürlich nicht der Weisheit letzter Schluss, solange die Systeme nicht grundlegend sicherer werden. Und wir müssen daran arbeiten, das Wissen der Nutzer zu erhöhen. Wie soll das gelingen? Es kann ja nicht jeder zum Informatiker werden. Ich sehe darin eine politische Aufgabe: Die Nutzer lassen sich nur über Erzie- hung erreichen, und hier wird nicht genügend getan. Schulen müssen auf- klären und sensibilisieren. Es darf nicht nur darum gehen, Medienkompetenz zu vermitteln; die Schüler müssen erfahren, wie das Internet tickt. Die Kids wissen besser als ihre Lehrer und Eltern, wie Snapchat und Instagram funktionieren – aber nicht, wie die zugrunde liegende Technik funktioniert. Sie sollten dies aber verstehen und wie Unternehmen mit den gesammelten Daten umgehen. Gefragt ist also Methodenkompetenz, um Probleme in der digitalisierten Welt lösen zu können. In Großbritannien und der Schweiz ist dies ein gesondertes Schulfach. Das brauchen wir auch – als einen Baustein, um die Sicherheit im Netz langfristig zu erhöhen.  Interview: Uli Ries Helmholtz Perspektiven 02/2019 1 5 elementar für die Gesellschaft, aus ihm kann personalisierte Medizin entstehen, die bis hin zu besseren Therapieformen reichen kann. Wir helfen also dabei, die Stärken der Medizinforschung schneller zum Patienten zu bekommen. Ein weiteres Feld, auf dem Sie forschen, sind autonom arbeitende Anwendungen. Was sind hier die Herausforderungen? Autonome Systeme, wie sie für selbstfah- rende Autos nötig sind, basieren meist auf maschinellem Lernen. Die Software muss Entscheidungen treﬀen, die zum Beispiel auf Daten aus Trainings und von Sensoren am Fahrzeug beruhen. Bedeutet das Objekt, das sich nähert, eine Gefahr oder hält es rechtzeitig an? Wir fragen uns, wie solche Systeme unter allen Umständen vertrauenswürdige Ent- scheidungen treﬀen können: Wie lässt sich zum Beispiel sicherstellen, dass sie nicht manipuliert wurden? Denn Fehler können etwa im Fall von Autos katastro- phale Folgen haben. Beherrschen denn die Entwickler die Verfahren zum maschinellen Lernen so gut, dass sie Fehler bei Program- mierung und Konzeption ausschließen können? Ich denke nicht. Die heute verwendete Technik der Deep Neural Networks triﬀt oftmals Entscheidungen, die ihre Entwickler nicht nachvollziehen können. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Entscheidung richtig oder falsch ist. Die zugrunde liegenden Modelle sind so komplex, dass sie nicht mehr nachvoll- ziehbar sind. Greifen Sie denn in Ihrer Forschung solche Systeme gezielt an? Ja, unter anderem die eben erwähnten neuronalen Netze. Wir forschen daran, wie man mit minimalem Aufwand eine fehlerhafte Klassiﬁzierung durch das neuronale Netz provozieren kann. Wir versuchen, grundsätzlich zu verstehen, welche Angriﬀsvektoren es bei dieser Technik gibt, um dann entsprechende Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Was meinen Sie mit fehlerhafter Klassiﬁzierung? Bevor es auf die Straße darf, lernt das neuronale Netz durch Trainingsdaten, ein Auto von einem Fahrradfahrer, von einem Fußgänger, von einem Fußgänger mit Kinderwagen zu unterscheiden. Hält das System beispielsweise einen Lastwa- genanhänger für ein Straßenschild, kann das fatale Folgen haben. Denken Sie an den Tesla-Unfall im Jahr 2016. (Anm. d. Red.: Der Tesla-Fahrer starb beim Zusammenstoß mit einem Lkw.)

F O R S C H U N G HELMHOLTZ kompakt Das Gehirn mag's gesellig Soziale Kontakte wirken sich positiv auf die Gehirnstruktur aus. Doch Vorsicht: Alkohol sollte bei den Treﬀen mit Freunden nur in Maßen getrunken werden. Bild: Mediteraneo/Fotolia Lebensstil hinterlässt Spuren im Gehirn Das menschliche Gehirn ist ein plastisches Organ, das sich stän- dig verändert. Dass sogar der individuelle Lebensstil sichtbare Spuren im Denkorgan hinterlässt, konnten nun Wissenschaftler vom Forschungszentrum Jülich zeigen. Dazu haben sie MRT- Hirnscans und Daten zu den Lebensgewohnheiten von mehr als 500 Probanden im Alter von 55 bis 85 Jahren ausgewertet. So war es möglich, Zusammenhänge zwischen bestimmten Verhal- tensweisen und Veränderungen im Gehirn zu entdecken. Dem- nach ist bei sportlich aktiven Menschen der Volumenverlust des Gehirns im Alter – der grundsätzlich alle Menschen betriﬀt – geringer als bei inaktiven Zeitgenossen. Während ein hoher Alkoholkonsum den Verlust von Nervenzellen in bestimmten Hirnregionen zur Folge hat, beeinﬂusst Rauchen weniger die Struktur des Gehirns als vielmehr seine Funktion: Bei Rauchern ist die Zusammenarbeit von Hirnregionen untereinander im Ruhezustand höher als bei Nichtrauchern – ein Nachteil, denn wenn die Vernetzung schon in Ruhe verstärkt ist, sinkt die Fähig- keit, bei Bedarf zusätzliche Kapazitäten im Gehirn zu aktivieren. Eine Erkenntnis hat die Forscher überrascht: Bei Menschen mit vielen sozialen Kontakten ist die graue Substanz in bestimmten Bereichen besser erhalten als bei Personen, die eher zu den Einzelgängern zählen. Während es zum Einﬂuss der anderen Faktoren auf die Hirnstruktur bereits einige Studien gab, war der deutliche Eﬀekt von sozialen Beziehungen bislang unbekannt. Originalpublikation: doi:10.1038/s41467-019-08500-x 1 6 Helmholtz Perspektiven 02/2019

Genom von Social-Media-Star entschlüsselt Die Internetikone Lil Bub hat rund drei Millionen Facebook-Fans und mehr als 40 Millionen Videoaufrufe bei Youtube – und dabei ist sie nur eine Katze. Im Netz erlangte sie innerhalb kürzester Zeit große Beliebtheit wegen ihrer auﬀälligen Erscheinung: Ihre Schnauze ist ver- kürzt, ihre Zunge hängt permanent heraus und an jeder Pfote hat sie einen zusätzlichen Zeh. Deshalb wurden nun auch Genetiker aus den USA und vom Max-Delbrück-Centrum für Mole- kulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft auf Lil Bub aufmerksam. Sie wollten herausﬁnden, ob das Äußere des Internetstars durch ähnliche genetische Veränderungen verursacht sein könnte wie bei ihren Patienten und Mäusen. Eine durch Crowdfunding ﬁnanzierte Genomanalyse ergab, dass die Katze zwei unterschiedliche, seltene DNA-Abweichungen trägt. Eine ist für die Entwicklung der zusätz-lichen Zehen verantwortlich, die andere für die sogenannte Marmorknochenkrankheit (Osteopetrose). Lil Bub fehlt in einem Gen eine einzelne Base. Diese genetische Veränderung hat ein Ungleichgewicht zwischen Knochenbildung und Knochenabbau zur Folge, sodass zu viel und zu dichtes Knochengewebe gebildet wird. Die Mutation war bereits zuvor bei Menschen und Mäusen mit Osteopetrose in Verbin- dung gebracht worden. Die Forscher hoﬀen nun auf neue Erkenntnisse durch weitere Experten: Sie haben ihre Ergebnisse auf der Plattform Biorxiv für Forscher aus aller Welt zugänglich gemacht. Originalpublikation: doi:10.1101/556761 Energie speichern mit Eierschalen Interaktive Weltkarte zeigt Lichtverschmutzung Im Gegensatz zu Eiklar und Eigelb landen Eierschalen meist im Müll. Dabei steckt in dieser Naturverpackung ungeahntes Poten- zial: Eierschalen haben vielversprechende elektrochemische Eigenschaften, wie ein Team des vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gegründeten Helmholtz-Instituts Ulm gemein- sam mit australischen und japanischen Wissenschaftlern ent- deckte. Die Schalen können dank des Calciumcarbonats (CaCO3), aus dem sie bestehen, sehr gut Lithium speichern. Die Forscher wuschen und trockneten sowohl verkalkte Schalen als auch die in- neren und äußeren Schalenmembranen und zerkleinerten sie zu einem Pulver. Daraus bauten sie die Elektrode für eine Testzelle. Bei über 1.000 Lade- und Entladezyklen behielt die Testzelle eine Kapazität von 92 Prozent – ein sehr guter Wert. Um die Leistungs- fähigkeit des Materials zu verbessern und einen breiten Einsatz zu ermöglichen, sei nun weitere Forschung zum elektrochemi- schen und physikalischen Verhalten des Materials erforderlich. Originalpublikation: doi:10.1039/c8dt03252a Künstliche Lichtquellen erhellen den Planeten immer mehr. Da das ein Problem für Pﬂanzen und Tiere sein kann, sprechen For- scher auch von Lichtverschmutzung. Um das Phänomen erfahrbar zu machen, haben Forscher des Helmholtz-Zentrums Potsdam – DeutschesGeoForschungsZentrum GFZ eine neue, interaktive Weltkarte entwickelt. Die Webanwendung ermöglicht es Nutzern, in beliebige Orte hineinzuzoomen, um sich die Entwicklung der Lichtverschmutzung in den vergangenen Jahrzehnten anzeigen zu lassen. So lässt sich erkennen, wo die Welt heller wird und wo nicht. Das ist für Bürger, Verwaltungen und Unternehmen, die Beleuchtungsmaßnahmen planen, gleichermaßen interessant, um zunehmender Lichtverschmutzung entgegenzuwirken. Grundlage des kostenlos nutzbaren Projekts mit dem Namen Radiance Light Trends waren die frei zugänglichen Daten von zwei Satellitensys- temen, die von verschiedenen Regierungsbehörden in den USA betrieben wurden. Die Forscher vom GFZ denken schon weiter und wollen zusammen mit Partnern ähnliche Anwendungen für andere Umweltvarianten entwickeln, etwa für Temperaturdaten oder Veränderungen des arktischen Meereises. Bild: Igor Kovalchuk/Fotolia Website: https://lighttrends.lightpollutionmap.info/ Helmholtz Perspektiven 02/2019 1 7

F O R S C H U N G Wie Spinnenbeine haften bleiben Heinz Maier-Leibnitz-Preis für HMGU-Forscherin In fast allen mensch- lichen Körperzellen beﬁnden sich sogenann- te Glukokortikoid- rezeptoren, die wichtige Regulatoren des Stoﬀ- wechsels sind. Bei Aller- gien, Asthma, Rheuma oder Autoimmunerkran- kungen können sie als entzündungshemmende Wirkstoﬀziele fungieren. Wie Glukokortikoide auf molekularer Ebene wirken und welche Folgen dies für das Immunsystem und den Stoﬀwechsel hat, untersucht die Münchner Biotechnologin Henriette Uhlenhaut vom Institut für Diabetes und Krebs des Helmholtz Zentrums München – Deutsches Forschungszent- rum für Gesundheit und Umwelt (HMGU). Ihre Arbeiten haben entscheidend zur Entwicklung neuer Therapien bei entzündli- chen Krankheiten beigetragen. Dafür erhält Henriette Uhlenhaut neben neun weiteren Wissenschaftlern den mit je 20.000 Euro dotierten Heinz Maier-Leibnitz-Preis der Deutschen Forschungs- gemeinschaft (DFG) und des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF).  Annette Doerfel, Martin Trinkaus und Agata Tuzimek Anzeige Sie krabbeln mühelos die Wände hoch und hängen stundenlang kopfüber an der Decke: Spinnen sind wahre Kletterkünstler. Mithilfe moderner Röntgentechnik konnte ein Forscherteam des Helmholtz-Zentrums Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG) und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel die Haftstruktur von Spinnenbeinen entschlüsseln. Die borstenartigen Beinhaare bestehen unter anderem aus dem Viel- fachzucker Chitin. Eine Analyse zeigte, dass die Chitinfasern von Spinnenbeinhaaren ähnlich wie bei Sperrholz parallel verlaufen und so den Belastungen beim ständigen Anhaften und Loslösen standhalten. Von ihren Erkenntnissen erhoﬀen sich die Forscher neue Ideen für die Entwicklung stark belastbarer Materialien. Originalpublikation: doi: 10.1098/rsif.2018.0692

der Forschungspodcast der Helmholtz-Gemeinschaft F O R S C H U N G Erst lesen, dann hören Seit zehn Jahren forschen Wissenschaftler des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) auf der Neumayer-Station III in der Antarktis. Ein feierlicher Anlass für den Helmholtz-Präsidenten Otmar D. Wiestler, die Stationscrew persönlich zu beglückwünschen. Wie er seine Reise an den südlichsten Arbeitsplatz Deutschlands erlebt hat, erzählt er in Folge 150 des Resonator-Podcasts. „Das ist Forschungsarbeit auf höchstem Niveau“, schwärmt Helmholtz-Präsident Otmar D. Wiestler über die Forschungs- station Neumayer III des AWI. Seit 2009 bildet die Station die Basis der deutschen Antarktisforschung. Im Podcast erzählt Otmar D. Wiestler von seinen Begegnun- gen und Gesprächen mit den Wissen- schaftlern vor Ort und seinen Eindrücken von der Forschung unter den schwieri- gen Arbeitsbedingungen. Während des Sommers forschen und leben hier bis zu 50 Menschen auf der Station – und selbst im Winter ist sie trotz Dunkelheit und extremen Temperaturen mit einem neunköpfigen Team besetzt. Mit rund 100 Containern voller Vorräte und Apparate sind sie auf jedes erdenkliche Szenario vorbereitet. Zur Station gehören neben Schlafplätzen und Laboren auch ein Gewächshaus, eine riesige Werkstatt und sogar ein Krankenhaus. Um die globalen Klimaveränderun- gen zu verstehen, ermitteln die Forscher der Neumayer-Station III Daten über lange Zeiträume. Neben Ballonstarts und dem Sammeln von Proben gehören minu- tengenaue Wetterbeobachtungen zu ihren täglichen Aufgaben. Die Forscher inter- essiert aber nicht nur die Meteorologie: Mithilfe eines Pinguin-Observatoriums wollen sie verstehen, wie sich Kaiserpin- guine vor Kälte schützen, indem sie sich zu eng gedrängten Gruppen zusammen- stellen. „Besonders beeindruckt haben mich die Menschen, die dort mit einer von Neugier getriebenen Hingabe für ihre Forschung, ob bei tobenden Stür- men, endloser Dunkelheit oder extremer Kälte, einen bedeutenden Beitrag zum Klimaschutz für uns und für kommende Generationen leisten“, erzählt Wiestler. Die Frage, ob er sich eine Überwinte- rung auf der Station vorstellen könnte, bringt Otmar D. Wiestler im Podcast zum Schmunzeln: „Das ist gar nicht so roman- tisch, wie man sich das vorstellt.“ Agata Tuzimek  AUDIO Mehr Wissenschaft auf die Ohren gibt es hier: www.helmholtz.de/ resonator-150 Helmholtz Perspektiven 02/2019 1 9

F O R S C H U N G Kampf gegen das Vergessen Geliebte Menschen nicht mehr zu erkennen oder wertvolle Erinnerungen zu verlieren – vor kaum einem anderen Alterungsanzeichen fürchten sich Menschen so sehr wie vor dem Vergessen. Forscher versuchen, die molekularen Ursachen für Alzheimer aufzuklären und so den Schlüssel zu einer Therapie zu finden. Die Fragen hört Anja Schneider immer wieder in ihrer Sprechstunde: „In meiner Familie gibt es Alzheimerfälle“, fragen viele Patienten, „wie hoch ist jetzt mein Risiko? Und kann ich irgendwie vorbeugen?“ Schneider forscht am Deutschen Zentrum für Neurodegene- rative Erkrankungen (DZNE), und weil sie auch die Klinik für Neurodegenerative Erkrankungen und Gerontopsychiatrie am Universitätsklinikum Bonn leitet, ist sie oft im unmittelbaren Kontakt mit Patienten und besorgten Angehörigen. Helfen kann sie nur bedingt mit Medikamenten, die an den Symptomen ansetzen. Therapien, die den Krankheitsprozess stoppen könnten, gibt es noch nicht, aber: „Man merkt, dass die Leute heute viel früher zum Arzt gehen“, sagt sie – ein Zeichen da- für, dass sich die Bedrohung durch die Krankheit herumgesprochen hat, von der inzwischen allein in Deutschland rund zwei Drittel der 1,7 Millionen Demenzpatienten betroﬀen sind. Die Forschung arbeitet daran, den Ursachen von Alzheimer auf die Spur zu kommen – von Psy- chiatern über Neurologen bis hin zu Biochemikern sind Wissenschaftler mit diesem Thema befasst. 2 0 Helmholtz Perspektiven 02/2019

Alzheimer – Ursachen und krankheitsverlauf Schäden an Nervenzellen Eiweißzerfalls- produkte des Zellskeletts Gesunde Nervenzelle Eiweiß- plaques Erkrankte Nervenzelle Deine Enkelin heißt Lisa Krankheitsverlauf Frühes Stadium: Vergesslichkeit Mittleres Stadium: deutliche Ausfälle Spätes Stadium: Kontrollverlust Betroffene Gehirnregionen Veränderung des Gehirns Orientierung Normales Gehirn Denken und Vorplanung Lernen und Gedächtnis Sprache und Verstehen Gehirn mit Alzheimer: Schrumpfung um bis zu 20 % möglich e v i t a i t i n I g n u h c s r o F r e m e h z l A i , E N Z D : e l l e u Q ; a p d : d l i B Allein bei Helmholtz forschen Teams aus etli- chen Zentren an diesem Thema; besonders viele Kräfte bündelt das DZNE, das vor genau zehn Jahren gegründet wurde. „Für mich ist beson- ders wichtig, dass am DZNE Forschungsbereiche vernetzt werden, die sonst nicht miteinander in Kontakt kommen würden“, sagt Anja Schneider: „Das reicht von der klinischen Forschung bis zur Grundlagenforschung, und für mich ist es immer besonders spannend, auf die regelmäßigen Treﬀen zu fahren und zu schauen, wie weit die Kollegen vorangekommen sind.“ Denn so weit die Wissen- schaftler in den vergangenen Jahren auch in die Geheimnisse der Alzheimererkrankung vorgedrun- gen sind – was auf der molekularen Ebene genau passiert, ist noch unklar. Sämtliche Wirkstoﬀe, auf die Forscher bislang ihre Hoﬀnungen für eine Therapie gerichtet hatten, sind spätestens in klinischen Studien gescheitert, also während der Erprobung an Patienten. Fest steht: An Alzheimer erkranken vor allem ältere Menschen jenseits des 65. Lebensjah- res. Im Krankheitsverlauf wird das Gehirn immer weiter zerstört. Mediziner unterscheiden zwischen zwei Formen von Alzheimer. Sehr selten ist die hochaggressive familiäre Form, die durch bisher drei bekannte Gendefekte ausgelöst wird. We- sentlich häuﬁger tritt die sogenannte sporadische Form auf. In beiden Fällen gibt es zwei auﬀällige Pathologien im Gehirn der Patienten: Erstens haben sie alle Ansammlungen von Proteinen, sogenannte Plaques. Der wichtigste Bestandteil dieser Klumpen ist ein Proteinbruchstück mit dem Namen Amyloid-beta; es steht im Verdacht, umlie- gende Nervenzellen zu töten. Die zweite auﬀällige Gemeinsamkeit: Im Innern ihrer Gehirnzellen lagern sich veränderte Formen von sogenannten Tau-Proteinen in Form von Fasern ab, den Tau- Fibrillen. Dadurch verlieren die Zellen ihre Form und ihre Funktion und zerfallen. Wie die Phäno- mene zusammenhängen und was letztendlich die Ursache für den Ausbruch von Alzheimer ist, darüber gibt es zwar zahlreiche Hypothesen, aber belegbar sind sie bislang oft nicht. Jeder Mensch bildet Amyloid-beta – nur kann er es in jungen Jahren besser abbauen. Mit zunehmendem Alter nimmt die Konzentration dieser Proteinbruchstücke zu und damit auch die Wahrscheinlichkeit einer Erkrankung. Was die Wissenschaftler kennen, sind die Faktoren, die das Risiko einer Erkrankung redu- zieren. „Was den Organismus gesund hält, hält auch das Gehirn gesund“ – auf diese vereinfachte Formel bringt es Thomas Willnow vom Berliner Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC). Er leitet dort ein Team, das sich mit molekularer Herz-Kreislauf-Forschung beschäftigt. Die Verbindung dieses Themenfelds zu Alzheimer ist enger, als es auf den ersten Blick scheint: „Krankheiten wie starkes Überge-

F O R S C H U N G Eins steht für Thomas Willnow aber schon jetzt fest: Jeder kann präventiv gegen Alzheimer tätig werden, denn neben den genetischen Ursachen hat die Krankheit eben auch Wurzeln im mensch- lichen Verhalten. Willnow rät dazu, erstens das Gedächtnis zu trainieren: „Wenn man bei Alzhei- mer die Hälfte der Nervenzellen verliert, kann derjenige damit besser umgehen, der die andere Hälfte gut trainiert hat“, sagt er. Zweitens rät er dazu, gesund zu leben, also Risikofaktoren wie Übergewicht zu vermeiden. An einer anderen Stelle in der Alzheimer- entstehung setzt Dieter Willbold an, der am Forschungszentrum Jülich und an der Heinrich- Heine-Universität Düsseldorf forscht. Er ist Experte für Strukturbiologie und beschäftigt sich mit sogenannten Prionen. Der Begriﬀ leitet sich ab von „protein“ und „infection“ und geht zurück auf Stan- ley Prusiner, der für die Entdeckung der Prionen 1997 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Im Grunde geht es darum, dass manche Proteine keine deﬁnierte dreidimensionale Struktur haben – eines dieser Proteine ist wiederum das Amyloid. „Besonders Proteine ohne feste Struktur können sich oﬀensichtlich zusammenschließen und bilden Aggregate“, sagt Dieter Willbold. „Die Aggregate, die auch Oligomere genannt werden, können eine Funktion hinzugewinnen, die toxisch ist. Für viele Protein-Aggregate ist außerdem beschrieben, dass sie sich auch vermehren können: Wenn ein fehl- gefaltetes Protein auf ein ‚normal‘ gefaltetes und ungefährliches Protein triﬀt, kann es sich dieses einverleiben.“ So vermehren sich Prionen. Seine Hypothese für die Entstehung von Gesund von Fuß bis Kopf Regelmäßiger Sport und eine gesunde Ernährung können das Alzheimerrisiko ent- scheidend senken. Auch soziale Kontakte und neue Erfahrungen trainieren das Gehirn. Bild: Robert Kneschke/Fotolia wicht oder Diabetes bringen nicht nur Komplika- tionen für das Herz-Kreislauf-System mit sich“, sagt Willnow, „sondern sie sind auch einer der we- sentlichen Risikofaktoren für neurodegenerative Erkrankungen.“ Nach einer Studie haben Diabetes- patienten ein dreifach erhöhtes Risiko, an Alzhei- mer zu erkranken. Und: Erhöhte Cholesterinwerte schädigen nicht nur das Herz, sondern auch das Gehirn. Diese auﬀälligen Zusammenhänge haben Thomas Willnow schon zu Beginn seiner Forscher- karriere fasziniert – inzwischen hat er ihnen auf molekularer Ebene genauer nachgespürt. „Wenn man bei Alzheimer die Hälfte der Nervenzellen verliert, kann der- jenige damit besser umgehen, der die andere Hälfte gut trainiert hat.“ Als zentral hat sich ein Protein herausgestellt, das im Stoﬀwechsel als Transporter fungiert und unter anderem Cholesterin und andere Lipide von Zelle zu Zelle transportiert. Es heißt Apolipoprotein E, kurz ApoE. Jeder Mensch verfügt über dieses ApoE, und es tritt in einer von drei Varianten auf, die sich jeweils nur durch einen einzigen Aminosäurebaustein unterscheiden: ApoE-3 ist die häuﬁge, „normale“ Variante des Transporters, aber bei etwa 15 Prozent der Menschen tritt die Form ApoE-4 auf – trotz dieses vergleichsweise kleinen Anteils stellen sie unter den Alzheimer- patienten etwa 40 Prozent. Die ApoE-Proteine können Amyloid binden, also jenes Protein, das als Verursacher von Alzheimer gilt. Kann ApoE-3 das Amyloid wirksamer binden als ApoE-4 oder hat ApoE-3 eine Schutzfunktion im Cholesterin- stoﬀwechsel des Gehirns, welche ApoE-4 nicht hat? Dies sind derzeit einige der zentralen Fragen in der Alzheimerforschung. Alzheimer knüpft daran an: Je höher im Körper die Konzentration von noch normal gefaltetem Amy- loid ist, desto größer wird die Wahrscheinlich- keit dafür, dass sich gefährliche Aggregate bilden – und sobald das passiert ist, lässt sich die Prionenver- mehrung nicht mehr stop- pen. Irgendwann sind dann die Schäden im Gehirn so groß, dass sich die Krankheit manifes- tiert. Zumindest bislang ist das so. An dieser Stelle will Dieter Willbold mit einem Wirkstoﬀ ansetzen, für den Ende März die erste Phase der klinischen Tests abgeschlos- sen wurde. PRI-002 heißt die Substanz, r 1 2 U h H ei n z a n r f e n u 2 2 Helmholtz Perspektiven 02/2019

Gesundes Gehirn Beginnende Erkrankung Fortgeschrittene Erkrankung Hirnrinde Hippocampus Geschrumpfte Rinde Leicht vergrößerte Ventrikel Schrumpfender Hippocampus Stark geschrumpfte Rinde Extrem vergrößerte Ventrikel Starke Schrumpfung des Hippocampus die im Labor und an Mäusen bereits gezeigt hat, dass sie die gefährlichen Prionen auﬂösen kann. Die Priavoid GmbH, eine Ausgründung aus der Universität Düsseldorf und dem Forschungszen- trum Jülich, treibt die Studien jetzt weiter voran. Weil der Wirkstoﬀ an einer ganz anderen Stelle im Krankheitsverlauf ansetzt als jene Medikamente, deren klinische Studien bislang gescheitert sind, ist Dieter Willbold optimistisch: Wenn sich seine Hypothese bestätigt und tatsächlich die Amyloid- beta-Prionen die Ursache für Alzheimer sind, dann wird sein Wirkstoﬀ funktionieren, davon ist er fest überzeugt: „Wir bezeichnen ihn als Antiprioni- kum, analog zum Antibiotikum“, sagt Willbold. Und es gibt weitere Forschungsansätze. Anja Schneider vom DZNE in Bonn will Biomarker im Blut ﬁnden, mit denen sich neurodegenerative Erkrankungen wie Alzheimer sehr früh erkennen lassen. Schon heute lassen sich durch Metho- den wie etwa das sogenannte Amyloid-PET die gefährlichen Amyloid-Plaques im Gehirn in einem frühen Stadium nachweisen – dafür müssen die Patienten allerdings eine radioaktive Substanz gespritzt bekommen. „Für ein Massenscreening taugen diese bisherigen Früherkennungs- methoden deshalb nicht“, sagt Anja Schneider. Ihr Ansatz- punkt sind sogenannte extra- zelluläre Vesikel: Das sind Transporter, die Proteine von einer Ner- venzelle auf die nächste übertragen – im Fall von Alzheimer und auch Parkin- son wird dadurch möglicherweise die Krankheit weiterverbreitet. Anja Schneider führt derzeit zudem eine kli- nische Studie durch, in der es um das Medika- ment Vorinostat geht: Das ist in Kanada für die Behandlung von Krebs zugelassen, hat aber in der dafür verwendeten Dosierung schwere Nebenwirkungen, die von akuter Übelkeit bis zur Bildung von Blutgerinnseln reichen können. Der gleiche Wirkstoﬀ konnte bei Alzheimerstudien bei Mäusen Lernen und Gedächtnis verbessern und pathologische Veränderungen hemmen, wie André Fischer vom DZNE Göttingen herausge- funden hat. Deshalb führt Schneider derzeit eine Studie durch, um zu klären, wie groß die Dosis sein muss, damit das Medikament Alzheimer- patienten hilft und zugleich möglichst wenige Nebenwirkungen hat. „... mit einer Kombination aus medikamentösen Therapien und einer verbesserten Lebensführung können wir die Demenz wohl immer weiter rausschieben.“ Thomas Willnow, der Forscher des Berliner Max- Delbrück-Centrums, seufzt, wenn man ihn nach dem Stand der Alzheimerforschung fragt. Weit mehr als ein Jahrzehnt arbeiten Wissenschaftler auf aller Welt ﬁeberhaft daran, „aber Tatsache ist, dass wir Alzheimer immer noch nicht heilen können. Insofern ist es sinnlos, zu fragen, ob das Glas halb voll oder halb leer ist.“ Seine Zwischen- bilanz indes fällt positiv aus: Die Forschung wisse heute schon so viel über die Abläufe auf moleku- larer Basis, dass sie die Krankheit von verschie- dener Seite aus quasi umzingeln könne. „Meiner Meinung nach wird es am Ende keine Zauberpille geben, die Alzheimer heilt, schließlich ist es letzt- lich ein Alterungsprozess des Gehirns“, sagt er, „aber mit einer Kombination aus medikamentösen Therapien und einer verbesserten Lebensführung können wir die Demenz wohl immer weiter raus- schieben.“  Kilian Kirchgeßner Schleichender Prozess Während die Alzheimer- Erkrankung fortschreitet, kommt es zu einem um- fassenden Rückgang von Hirngewebe. Zudem sind die Hirnkammern, die die Hirnﬂüssigkeit enthalten (Ventrikel), stark erweitert. Quelle: Alzheimer For- schung Initiative e.V./ www.alzheimer-forschung.de www ONLINE Über den Kampf gegen Alzheimer und seine Bilanz zum 10-jährigen Jubiläum erzählt DZNE- Vorstandsvorsitzender Pierluigi Nicotera im Interview: www.helmholtz.de/ alzheimer Helmholtz Perspektiven 02/2019 2 3

S TA N D P U N K T E „Wie frei und unabhängig können Doktoranden forschen?“ Jedes Jahr schließen rund 30.000 Doktoranden in Deutschland erfolgreich ihre Promotion ab. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen sie sich möglichst selbstständig und unabhängig ihrer Doktorarbeit widmen. Doch wie frei können Doktoranden in Deutschland wirklich arbeiten? Zwei Blickwinkel. „Es gab in den vergangenen Jahren entscheidende Entwicklungen, die die Rechte der Doktoranden fundamental gestärkt haben.“ Heinz Kalt Professor für Angewandte Physik und Ombudsperson zur Sicherung guter wissenschaft- licher Praxis am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) In der Regel arbeiten Doktoranden in einem begrenzten Themengebiet, das durch die meist projektgebundene Forschung eines Instituts vorgegeben ist. Damit ergibt sich automatisch eine Verantwortung dem Geldgeber gegenüber, beispielsweise mit Blick auf die Verwendung von Mitteln im Sinne der geförderten Thematik und die Erfüllung von Meilensteinen. Weitere Einschrän- kungen können durch Gesetze, Verträge oder Vertraulichkeitsvereinbarungen gegeben sein. Dies sind gravierende, aber legitime Einschränkungen der Forschung im Rahmen einer Dissertation. Aber es gibt auch immer wieder Doktoranden, denen die Einreichung ihrer Dissertation ohne substanzielle Begründung oder denen die Verwertung unliebsa- mer Ergebnisse verboten wird. erlassen. Diese sollen unter anderem verhindern, dass den Doktoranden bezüglich der Ergebnisse ih- rer Forschung Vorgaben gemacht werden, die etwa mit möglichen Interessen von Geldgebern zusam- menhängen, mit dem Schutz des Ansehens oder der Tradition einer Institution oder auch mit den Karriereplänen von Betreuern. Die Regeln der gwP verpﬂichten alle Wissenschaftler zur ergebnisof- fenen Forschung und implementieren den oﬀenen wissenschaftlichen Diskurs als Grundprinzip. Dies bedeutet zum Beispiel, dass eine gängige Lehrmeinung auf der Basis belegbarer Argumente oder klarer wissenschaftlicher Resultate angezwei- felt werden darf. Oder dass Projekte den vorge- schriebenen Weg verlassen dürfen und sollen, wenn sich wesentliche neue Erkenntnisse ergeben. In den vergangenen Jahren gab es jedoch Es gibt sie leider noch vereinzelt: Wissen- entscheidende Entwicklungen, die die Rechte der Doktoranden fundamental gestärkt haben. Maßnahmen zur Qualitätssicherung etwa sind per Gesetz in vielen Bundesländern vorgeschrieben. Hierzu gehören unter anderem Betreuungsver- einbarungen, die die Professoren verpﬂichten, die wissenschaftliche Selbstständigkeit der Doktoran- den zu unterstützen. Weiterhin haben inzwischen alle wissenschaftlichen Einrichtungen verbindliche Regeln zur guten wissenschaftlichen Praxis (gwP) schaftler, die sich einer transparenten Forschung verweigern. Hier stehen den Doktoranden Om- budspersonen und -gremien als Ansprechpartner und Vermittler zur Verfügung. Es ist von enormer Wichtigkeit, dass die Regeln der gwP immer mehr Teil der DNA der Forschergemeinschaft werden. Jeder Doktorand darf und sollte sich auf diese Regeln berufen. Dies stärkt nicht nur die Rechte der Doktoranden, es stärkt auch das Vertrauen der Öﬀentlichkeit in die Wissenschaft.  2 4 Helmholtz Perspektiven 02/2019

„Beim genaueren Blick auf das Arbeitsumfeld von Doktoranden fallen Einschränkungen verschiedenster Art ins Auge.“ Doktoranden forschen in zukunftsweisenden Bereichen und leisten einen maßgeblichen Beitrag zur Beantwortung drängender Fra- gen der Gesellschaft. Sie arbeiten beispielsweise an der Gestaltung der Energiewende mit, erkun- den neue Wege in der Informationstechnologie oder helfen, Volkskrankheiten besser zu verste- hen. Oft ﬁnden Doktoranden dabei gute Vorausset- zungen für ihre Arbeit vor – aber immer wieder stoßen sie auch an Grenzen, die ihre Forschungs- freiheit nachhaltig einschränken. Ein Blick auf die positiven Aspekte oﬀenbart, wie die Forschung für Doktoranden in Deutsch- land sein sollte und oft auch ist: In erster Linie ist es die Aufgabe der Doktoranden, eine – meist in Zusammenarbeit mit ihren Doktormüttern und -vätern entwickelte – Hypothese in ihrem Forschungsgebiet zu prüfen und bestenfalls zu bestätigen. Methodisch stehen den Doktoranden dafür viele Möglichkeiten oﬀen, auch durch den Zugang zu einzigartiger Forschungsinfrastruktur. Die Vernetzung mit Forschenden weltweit, auf Konferenzen oder bei Forschungsaufenthalten, ermöglicht oﬀene Diskussionen über Forschungs- fragen und Zugang zu deren Expertise. Dass Doktoranden mit ihrer Promotionsstelle grundsätzlich zufrieden sind, bestätigen Umfra- gen immer wieder. Beim genaueren Blick auf das Arbeitsumfeld von Doktoranden fallen jedoch auch Einschränkungen verschiedenster Art ins Auge. An ihren Instituten werden ihnen Aufga- ben übertragen, die nicht unmittelbar mit ihrem Promotionsvorhaben vereinbar sind und damit wertvolle Zeit kosten oder sogar als Ausnutzung empfunden werden. Wichtige Gesprächspartner und wissen- schaftliche Führungskräfte sind für Doktoranden immer öfter nicht erreichbar – dadurch ist es schwierig, über Zwischenergebnisse und die nötigen nächsten Schritte zu diskutieren. Deutlich herauszustellen ist, dass die vertragliche Situati- on für viele Doktoranden nicht zufriedenstellend ist. Oft fehlen konkrete Vereinbarungen über Projektlänge und -ziele und klare Perspektiven für die Zeit nach der Promotion. Das macht eine län- gerfristige Planung in einer sehr entscheidenden Lebensphase oft unmöglich – und ja: Das schränkt die empfundene und tatsächliche Unabhängigkeit und Freiheit empﬁndlich ein. Tim Lienig Doktorand im Bereich Mikrostrukturforschung des Peter-Grünberg-Instituts am Forschungszentrum Jülich und Sprecher der Doktoranden- initiative Helmholtz Juniors www ONLINE Diskutieren Sie mit uns unter dem folgenden Link: www.helmholtz.de/ blickwinkel Wir müssen verstärkt und oﬀen über diese Missstände diskutieren und Verbesserungen kon- sequent umsetzen. Nur so gewährleisten wir, dass weiterhin eine hohe Qualität in der Wissenschaft erreicht werden kann.  Helmholtz Perspektiven 02/2019 2 5 www.wissenschaftsfreiheit.de

(UBA) in Dessau. Dort orientiert man sich an den Empfehlungen der Weltgesundheitsorganisation WHO. Sie ermittelt regelmäßig für die bekannten Schadstoﬀe Richtwerte, die im Interesse der Ge- sundheit nicht überschritten werden sollen. Diese werden auf Basis aller aktuell verfügbaren wis- senschaftlichen Studien zu diesem Thema von der WHO gemeinsam mit externen Expertengremien festgelegt. Bei einigen Substanzen wie dem zu den Stickoxiden zählenden Stickstoﬀdioxid (NO2) stim- men diese Empfehlungen mit den Grenzwerten überein, die in der EU gelten. In anderen Fällen wie etwa beim Feinstaub setzt die WHO dagegen deutlich strengere Maßstäbe an – zu Recht, wie viele Experten ﬁnden. Sauerstoﬀ 1 %* 78 % Stickstoﬀ Und wie verschmutzt ist die Luft in Deutschland wirklich? „Die Messungen übernehmen bundesweit mehr als 650 feste Messstationen“, sagt UBA-Experte Marcel Langner. Dazu kommen noch spezielle Mess- 21 % systeme für die Forschung wie das MobiLab aus Jülich. „Dessen Vorteil ist, dass wir auch während der Fahrt messen können“, sagt Robert Wegener. Dabei bekom- me man zwar immer nur eine Momentaufnahme der aktuellen Situation. Dafür registriert der rollende Luftanalysator aber jede Sekunde einen Messwert, während die fest installierten Systeme meist den Durchschnitt für eine Stunde angeben. „Wir können also auch sehr feine Unterschiede in der Schadstoﬀverteilung erfassen“, erklärt der For- scher. Vor allem in Stuttgart und Berlin hat er mit seinen Kollegen in den vergangenen Jahren solche Messungen durchgeführt. Sich über viel befahrene Hauptstraßen und durch stickige Tunnel zu quälen, umwabert von den Abgaswolken anderer Fahrzeuge – das klingt nicht unbedingt nach reinem Fahr- vergnügen. Doch für Robert Wegener und seine Kollegen vom Forschungszentrum Jülich gehört das zu ihrer Arbeit. Wenn sie sich in ihren Kleintransporter setzen, der mit Messtechnik vollgestopft ist, sind sie der Luftqualität auf der Spur. Mithilfe ihres „MobiLab“ genannten Labors auf vier Rädern wollen sie herausﬁnden, wie sich Stickoxide, Feinstaub und andere Schadstoﬀe in Städten verteilen. Das Team aus Jülich gehört damit zu jenen Helmholtz-Forschern, die Daten zu einer hochaktuellen Debatte liefern. Dieselskandal, Fahrverbote, hitzige Diskussionen über Grenz- werte: Das Thema Luftverschmut- zung hat Anfang des Jahres reichlich Schlagzeilen gemacht. Aber was sind das eigentlich für Substanzen, die das Atmen zum Gesundheitsrisiko machen können? Was gehört in die Luft und was nicht? „Es gibt keine allgemeingültige Definition dafür, was saubere Luft eigentlich ist.“ Trockene Luft besteht zu 99 Prozent aus den bei- den Gasen Stickstoﬀ und Sauerstoﬀ. Der restliche Prozentpunkt setzt sich aus zahlreichen weiteren Bestandteilen zusammen. Dazu gehören zum Bei- spiel das Edelgas Argon oder das als Treibhausgas bekannte Kohlenstoﬀdioxid, aber auch sogenannte Spurengase wie Ozon, die teilweise nur in extrem geringen Konzentrationen vorkommen. Auch feste und ﬂüssige Partikel schweben ohne Zutun des Menschen in der Atmosphäre. Die Palette reicht von Wüstenstaub, Vulkanasche und Meersalz bis hin zu Pollen, Bakterien und Pilzsporen. Zu diesem Gemisch kommen all jene Ver- bindungen, die der Mensch zum Beispiel durch Verbrennungsprozesse freisetzt. Ab wann sie zur Belastung werden können, ist gar nicht so leicht einzuschätzen. „Es gibt keine allgemeingültige Deﬁnition dafür, was saubere Luft eigentlich ist“, sagt Marcel Langner vom Umweltbundesamt Luftanalyse auf Rädern Robert Wegener unternimmt mit dem MobiLab regelmäßig Messfahrten, um die Luft- zusammensetzung zu bestimmen. Bild: Wilhelm-Peter Schneider/FZ Jülich *Argon, Kohlenstoﬀdioxid, andere Gase Helmholtz Perspektiven 02/2019 2 7

F O R S C H U N G Rollendes Labor Das MobiLab kann sowohl gasförmige Spurenstoﬀe als auch Partikel in der Luft messen. Relativ neu ist ein Messgerät für Methan. Das Treibhausgas ist rund 25-mal klimaschädlicher als Kohlenstoﬀdioxid. Bild: Wilhelm-Peter Schneider/ Forschungszentrum Jülich www ONLINE Bus? Fahrrad? Auto? Was uns in Zukunft bewegt: www.helmholtz.de/ mobilitaet Die Wissenschaftler konzentrieren sich dabei un- ter anderem auf Tunnel. Denn hier sammeln sich die Abgase, sodass die Forscher einen Eindruck vom Schadstoﬀausstoß des gesamten Straßen- verkehrs gewinnen können. Die Emissionen können dabei von Tag zu Tag stark variieren. Das gilt zum Beispiel für die viel diskutierten Stickoxide. Für das Gas Stickstoﬀdioxid, das die Atemwege und das Herz-Kreislauf-System schädigen kann, liegen die Werte an Werktagen besonders hoch. Am Wochenende, wenn vor allem Pkw unterwegs sind, haben die Jülicher Forscher im Verhältnis zum Kohlendioxid geringere Kon- zentrationen dieses Schadstoﬀs gemessen. „Das zeigt, dass der Lkw-Verkehr an diesem Problem einen großen Anteil hat“, sagt Robert Wegener. Am Beispiel des Stickstoﬀdioxids zeigt sich auch ein weiteres Problem mit der Luftbelastung: Die Schadstoﬀe gehen in der Luft Reaktionen mit- einander ein und bilden weitere problematische Verbindungen. Das ebenfalls atemwegsreizende Ozon (O3) zum Beispiel quillt nicht direkt aus dem Auspuﬀ, sondern entsteht unter dem Einﬂuss des Sonnenlichts aus Stickoxiden und ﬂüchtigen organischen Kohlenwasserstoﬀen (VOC). Beide wurden früher in großen Mengen im Straßen- verkehr frei, sodass im Sommer in den Städten oft hohe Ozonkonzentrationen auftraten. Heute ist das anders: Dank der Katalysatoren sind seit den 1990er-Jahren die Stickoxid- und VOC-Emissionen von Benzinern stark zurückgegangen. Bei Diesel- fahrzeugen gilt das aber nur für die VOC, ihr Stickoxidausstoß wurde nur unwesentlich redu- 2 8 Helmholtz Perspektiven 02/2019 ziert. „Für die gesamte Fahrzeugﬂotte gesehen ist das Verhältnis zwischen diesen beiden Vorläufern deshalb nicht mehr günstig für die Ozonbildung“, erklärt Robert Wegener. Falls es gelingt, künftig auch die Stickoxidemissionen der Dieselfahrzeuge zu reduzieren, könnte sich das aber paradoxer- weise ändern, sodass die Ozonbelastung wieder ansteigen würde. „Was die gesundheitlichen Folgen angeht, ist Feinstaub heute das Problem Nummer eins unter den Luftschadstoffen.“ „Das heißt allerdings nicht, dass wir die Stickoxid- Emissionen auf dem heutigen Niveau lassen sollten“, betont der Jülicher Forscher. Denn NO2 gehört außerdem zu jenen Gasen, die durch chemische Reaktionen zur Bildung von Partikeln führen und damit die Feinstaubkonzentrationen in die Höhe treiben. Zwar ist auch diese Art der Belastung in den vergangenen 30 Jahren zurück- gegangen – zumindest, wenn man die Masse des freigesetzten Feinstaubs betrachtet. Dafür werden heute eher die sehr kleinen Teilchen emittiert, die besonders schädlich für die Lunge und das Herz-Kreislauf-System sind. Deshalb wollen viele Experten in dieser Hinsicht noch keine Entwar- nung geben. „Was die gesundheitlichen Folgen angeht, ist Feinstaub heute das Problem Nummer eins unter den Luftschadstoﬀen“, urteilt Marcel Langner vom UBA. An dieser Stelle kommen auch andere Quellen der Luftverschmutzung ins Spiel als nur der Straßenverkehr. Die Bildung von Feinstaub wird nämlich nicht nur durch Stickoxide, sondern auch durch andere Luftschadstoﬀe wie Ammoniak (NH3) angekurbelt – und dessen Emissionen sind in den vergangenen Jahren so gut wie gar nicht zurückgegangen. Die Hauptquelle für Ammoniak ist die Landwirtschaft; vor allem Felder, die mit Gülle gedüngt werden. Volker Matthias und seine Kollegen vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) haben sich mit der Frage beschäftigt, wie sich dieses Problem in den Griﬀ bekommen lässt. Mit dreidimensio- nalen Computermodellen bilden sie die mete- orologischen und chemischen Vorgänge in der unteren Etage der Atmosphäre nach. So können sie berechnen, wie sich die aus verschiedenen Quellen freigesetzten Verbindungen in andere umwandeln, wie sie transportiert werden und wo sie schließlich landen. Am Ende spucken die NO2NO2

Modelle dann nicht nur Karten der Schadstoﬀver- teilung aus. „Man kann damit auch durchrechnen, was bestimmte Maßnahmen für die Luftqualität bewirken“, sagt Volker Matthias. Beim Ammoniak kamen die Computer da zu einem eindeutigen Ergebnis: Wenn die Emissionen sinken sollen, müsste in Deutschland deutlich weniger Fleisch produziert werden. Das Team aus Geesthacht nimmt aber auch noch zahlreiche andere Emissionsquellen unter die Lupe. Einen ihrer Schwerpunkte haben die Forscher dabei auf den Schiﬀsverkehr gelegt. Für die Nordsee basiert ihre Modellierung auf unzäh- ligen Details: Die Forscher stellen fest, wie schnell jedes einzelne Schiﬀ fährt, welche Maschinen es antreiben und wie groß sein Schadstoﬀausstoß ist. So konnten die Wissenschaftler am Ende berech- nen, welche Mengen von Stickoxiden, Feinstaub und anderen Schadstoﬀen die Schiﬀe auf der Nord- see in einem Jahr ausstoßen. Ihr Fazit: Vor allem im Sommer ist der Schiﬀsverkehr eine sprudelnde Feinstaubquelle. Der größte Anteil dieser Belas- tung kommt durch die chemischen Reaktionen von Gasen zustande, bei denen sich Partikel bilden. Was aber passiert, wenn ein Schiﬀ im Hafen liegt? Auch da laufen schließlich die Maschinen, weil Frachter zum Beispiel Energie für die Küh- lung brauchen und Kreuzfahrer den Hotelbetrieb aufrechterhalten müssen. Auch für diese Situation haben die Forscher ein Modell entwickelt, das auf Umfragen zum Treibstoﬀverbrauch von rund 200 Schiﬀen basiert. „Demnach sind auch Häfen durchaus ernst zu nehmende Belastungsquellen“, sagt Volker Matthias. So steuert der Hamburger Hafen ein knappes Drittel zu den Stickoxidemissi- onen der Hansestadt bei. Es ist also nicht nur der viel diskutierte Straßenverkehr, der in Deutsch- land für dicke Luft sorgt: Zu ihrer Belastung tra- gen die verschiedensten Quellen und chemischen Reaktionen bei. Es gibt also viele Schrauben, an denen man drehen könnte, um für bessere Luft zu sorgen.  Kerstin Viering Feinstaub • Unter Feinstaub versteht man winzige Teilchen in der Luft, die nicht sofort zu Boden sinken, sondern eine Zeit lang in der Atmosphäre schweben. • Ein Teil dieser Partikel ist natürlichen Ursprungs. Dazu gehören zum Beispiel Wüstenstaub, Vulkanasche, Meersalz, Pilzsporen und Pollen. • Eine wichtige vom Menschen geschaﬀene Quelle für diesen Schadstoﬀ ist der Straßenverkehr. Nicht nur Dieselmotoren setzen vor allem in Ballungsräumen große Mengen Feinstaub frei, dazu kommen auch der Abrieb von Bremsen und Reifen sowie der aufgewirbelte Straßenstaub. Neben Kraftfahrzeugen tragen auch Heizwerke, Müllverbrennungsanlagen sowie Öfen und Heizungen in Wohnungen zur Feinstaub- belastung bei. Weitere Partikel kommen aus der Landwirtschaft, der Industrie und dem Schüttgutumschlag. • Der Löwenanteil der Belastung kommt nicht durch direkte Emissionen zustande, sondern durch chemische Reaktionen, bei denen Gase wie Stickoxide und Ammoniak die Feinstaubbildung ankurbeln. • Die Wirkung der Teilchen auf die Gesundheit hängt entscheidend von ihrem Durchmesser ab. Je kleiner sie sind, desto weiter können sie in den Atemtrakt vordringen. Partikel mit einen Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern können in die Nasenhöhle eindringen. Teilchen mit einem Durchmesser von weniger als 2,5 Mikrometern können die Bronchien oder Lungenbläschen erreichen. Ultrafeine Partikel mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 Mikrometer können sogar in den Blutkreislauf gelangen. Volldampf voraus Schätzungen zufolge verursachen Schiﬀe rund 13 Prozent der weltweiten Emissionen. Bild: panalot/Fotolia Helmholtz Perspektiven | Winter 2016/17 Helmholtz Perspektiven 02/2019 2 9 2 9

S TA N D P U N K T E Warum es unklug ist, wenn mir jemand den Rücken freihalten muss Wenn exzellente Forschung nur dadurch ermöglicht wird, dass sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit nichts anderem als ihrer Forschung beschäftigen, ist das vor allem eins: unklug. Ein Kommentar der Gleichstellungsbeauftragten des Helmholtz-Arbeitskreises Frauen in den Forschungszentren (akﬁfz). Wieso lesen und hören wir immer wieder – auch in diesem Magazin –, dass eine ausgezeichnete wissenschaftliche Leistung nur möglich war, weil den Forschenden familiär „der Rücken frei- gehalten wurde“? Und das, obwohl die Forschungseinrichtungen und Universitäten in Deutschland unisono die Wichtigkeit der Vereinbarkeit von Familie und Beruf betonen und die Mehrheit sogar entsprechend zertiﬁziert ist? Im besten Fall ist die Notwen- digkeit des freien Rückens eine Fehlwahrnehmung, schlicht ein Irrtum. Im schlimmsten Fall ist sie gelebter Alltag. Dass Forschende sich in der Einschätzung der eigenen Lebenssituation so sehr irren, dürfte wohl eher unwahrscheinlich sein. Wir müssen deshalb vom schlimmsten Fall ausgehen – und das hat Konsequenzen. Aus zwei Gründen sind akademische Strukturen und Kulturen, die erfolgreiche Forschung und Karrie- re nur ermöglichen, indem sie familiäres, gesellschaftliches oder privates Engagement ausschließen, unklug: Erstens – das ist das wettbewerbliche Argument – schrän- ken wir damit die Wissenschaft massiv ein. Zunächst verzichten wir selbstredend auf das Potenzial derjenigen in einer Lebens- gemeinschaft, die zugunsten der anderen zu Hause bleiben. Wir erschweren damit nachhaltig die volle Nutzung des Potenzials vieler exzellenter Forscherinnen und Forscher, die in Doppelkar- rierehaushalten leben wollen oder die sich mehr oder weniger al- lein um die Erziehung ihrer Kinder oder die Pﬂege ihrer Angehö- rigen kümmern. Mit solchen Strukturen mindern wir aber auch erheblich die nationale und internationale Ausstrahlungs- und Anziehungskraft eines Forschungsstandortes, einer Forschungs- einrichtung, schmälern deren Reputation und beeinträchtigen die Attraktivität der Wissenschaft als Arbeitsfeld, das immer in starker Konkurrenz zur Wirtschaft steht. Letztendlich beschrän- ken akademische Strukturen und institutionelle Kulturen, die nichtwissenschaftliches Engagement erschweren, die Vielfalt derer, die am Forschungsprozess beteiligt sind – und damit die Vielfalt der wissenschaftlichen Ansätze, Ideen und Perspektiven. Sie vermindern die wichtigste Ressource der Wissenschaft – kognitive Vielfalt – und folglich die Chance auf neuartige und kreative Lösungen für unsere drängenden, komplexen Fragen. Zweitens – das ist das normative Argument – provozieren wir mit solchen Strukturen und Kulturen eine Schieﬂage, die un- serer Gesellschaft langfristig und umfassend schadet. Wenn eine 3 0 Helmholtz Perspektiven 02/2019 Ines Thronicker ist Gleichstellungsbeauftragte am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ und Mitglied im Helmholtz-Arbeitskreis Frauen in Forschungszentren (akfifz) Person der anderen den Rücken freihalten muss, führt das zu oft zu traditionellen Rollenverteilungen in den Familien, in denen dann eine Person die familiären Versorgungs-, Pﬂege- und Haus- haltsaufgaben übernimmt. Diese Rollenverteilung ist maßgeblich mitverantwortlich dafür, dass Frauen in der Wissenschaft und in Führungspositionen unterrepräsentiert sind, für gleiche Arbeit weniger Lohn erhalten und besonders stark von Altersarmut be- troﬀen sind. Hinzu kommt: Wenn sich Forschende um nichts als ihre Arbeit kümmern können, fehlt ihnen die Gelegenheit, sich mit all ihrem Weitblick und Sachverstand, ihrem analytischen Denken und evidenzbasierten Argumentieren, ihrer Neugier und Kreativität – und ihren ganz persönlichen Ansichten und Werthaltungen – in ihre Familien und in zivilgesellschaftliche Mitgestaltungsprozesse einzubringen. Doch dass unsere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaft- ler mit ihrer Arbeit, aber auch mit ihrem Engagement in die Gesellschaft hineinwirken und wiederum von der Gesellschaft inspiriert werden – das sollte doch unser Anspruch sein.  Ansprechpartnerin für den Kommentar: Ines Thronicker, UFZ Sprecherin des akﬁfz: Martina von der Ahe, FZ Jülich

F O R S C H U N G Nachgefragt: „Warum brummen Hochspannungs- Leitungen“ Hörst du das auch? In der Nähe von Hochspannungsleitungen hört man meist ein leichtes Brummen. Doch ist das wirklich der Strom, der ﬂießt? Bild: Pixabay Hochspannungsleitungen transportieren elektri- sche Energie – und wenn man unter ihnen steht, kann man das scheinbar auch hören. Woher das satte Brummen oder Zischen kommt, erklärt Harry Hoﬀmann, Ingenieur am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB). Egal ob Motor, Spule oder Hochspannungs- leitung: Jeder elektrische Leiter, durch den Strom ﬂießt, entwickelt ein Magnetfeld. Bei Hochspannungsleitungen verlaufen mehrere Leiterseile parallel – und deren jeweilige Felder wirken aufeinander. Gleiche Felder stoßen sich ab, unterschiedliche Felder ziehen sich an. Dadurch geraten die Seile in Bewegung, sie schwingen aufgrund der Wechselwirkung in einem 50-Hertz- Takt – also 50-Mal pro Sekunde. Grundsätzlich gilt: Wenn sich etwas in der Luft bewegt, wird sie komprimiert und es entsteht Schall. Im Fall der Leitungen ein leichtes Brummen. Es gibt bei Hochspannungsleitungen einen zweiten Grund für Geräusche. Sie stammen von den Isolatoren, mit denen die Seile an den Masten befestigt sind. Die Leitungen führen ein hohes Spannungspotenzial und obwohl die Isolatoren kaum Strom leiten, isolieren sie nicht perfekt. Daher schaﬀen es einige Elektronen, die Isolations- strecken zu überwinden, denn in starken elektri- schen Feldern gelingt es ihnen, sich aus ihrer Bindung zu lösen. Diese sehr kleinen Ströme von punktuellen Spannungsentladungen machen sich durch ein Zischeln bemerkbar. Wie viele Elektronen sich lösen, hängt von den verwendeten Isolations- medien und der Luftfeuchtigkeit ab. Wenn es zum Beispiel neblig ist, kommt es vermehrt zu Entladun- gen. Auch wenn sich mehr leitfähige Partikel wie etwa Staub an den Isolatoren ablagern, wird das Zischeln stärker. Materialforscher arbeiten daher an neuen Beschichtungen, die diese Entladungen minimieren, denn all das sind Verluste. „Hochspannung“ ist übrigens eine Frage der Perspektive: Während Hochspannungsleitungen 110 Kilovolt nutzen, arbeiten wir beim Beschleuni- gerring Bessy II am HZB mit Spannungen von bis zu zwei Gigavolt, um Elektronen für unsere Experimente auf Tempo zu bringen. Nachgefragt hat Kristine August www ONLINE Alle Ausgaben von Nachgefragt: www.helmholtz.de/ nachgefragt Helmholtz Perspektiven 02/2019 3 1

I N T E R V I E W Jede einzelne Zelle im Blick Wie kann man bei jeder Zelle im Körper kontrollieren, ob sie sich gesund entwickelt oder krank wird? Die Initiative „LifeTime“ kombiniert dafür künstliche Intelligenz und Molekularbiologie. Mitkoordinator Nikolaus Rajewsky vom Max-Delbrück-Centrum (MDC) im Gespräch über die Geheimnisse der Zellen – und darüber, was ihn mit Wilhelm Conrad Röntgen verbindet. Herr Rajewsky, die Fachzeitschrift „Science“ hat die Methoden von Life- Time zum „Wissenschaftsdurchbruch des Jahres 2018“ erklärt. Worum geht es Ihnen? Letztlich wollen wir mit LifeTime lang- fristig die gesamte Gesundheitsversor- gung verbessern. Schlüssel dazu sind die Zellen, die Einheit des menschlichen Lebens. Wir haben heute die Möglich- keit, in sie hineinzuschauen: Wie triﬀt die Zelle Entscheidungen? Was passiert, wenn sie krank wird? Wir wollen Zellen beobachten und gezielt eingreifen, wenn sie von einer gesunden Entwicklung abweichen. Ich habe überhaupt keinen Zweifel daran, dass wir mit unserer Arbeit medizinischen Fortschritt erzielen werden. Mit Zellen beschäftigen sich Forscher schon lange. Was ist das Besondere an Ihrem Ansatz? Wir integrieren neue und sehr junge Methoden, um Krankheiten auf die Spur zu kommen. Das ist für mich so begeis- ternd! Beim Kartieren der Zellen, wie wir es nennen, geht es zunächst um eine Analyse einzelner Zellen und ihrer Struk- turen und darum, welche Proteine ihre Gene herstellen. Um das herauszuﬁnden, nutzen wir besonders eﬃziente Einzel- zellanalysen – die sogenannten „single- cell multi-omics“ – sowie bildgebende Verfahren. Möglich werden die Analysen der Datensätze erst durch maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz. Und wir studieren Organoide, also 3D-Mi- niaturnachbildungen von Organen, die aus Hautzellen von Patienten entwickelt werden. Welche Krankheiten haben Sie im Blick? Uns geht es natürlich weniger um Knochenbruch – auch wenn die Rege- neration sicherlich interessant wäre. Uns geht es um die großen Killer, also komplexe Erkrankungen wie Krebs, wo die Vielzahl unterschiedlicher Varianten ein enormes Problem ist, oder neuro- degenerative Krankheiten oder Herz- Kreislauf-Erkrankungen. Dazu kommen die seltenen Erkrankungen – die sind zwar selten, aber von ihnen gibt es viele. Und Infektionskrankheiten wie Grippe oder Hepatitis. Wo setzen Sie mit der Forschung hier konkret an? Uns geht es um molekulare Mechanis- men: Zellen verändern sich ja im Krank- heitsverlauf, und wir wollen genau wissen, warum und wie die einzelne Zelle das tut. Mit der CRISPR-Cas9- Methode, manchmal auch Genschere genannt, wollen wir dann etwa testen, ob ein bestimmter Abschnitt im Genom tatsächlich eine Krankheit verursacht, wie wir vermuten – und das Ganze, ohne dabei einen Patienten belasten zu müs- sen. Ich nenne diesen Schritt gerne „das Diﬀerenzial zwischen gesund und krank verstehen“. Nur so können wir eines Tages Veränderungen auch vorhersagen und medizinisch eingreifen. Wir wollen 3 2 Helmholtz Perspektiven 02/2019

www ONLINE Mehr zur LifeTime- Initiative gibt es unter: www.helmholtz.de/ lifetime Mammutprojekt Nikolaus Rajewsky koordiniert gemeinsam mit Geneviève Almouzni vom Institut Curie in Paris die LifeTime-Initiative, an der rund 120 Wissenschaftler aus 18 Ländern beteiligt sind. Bild: David Ausserhofer/MDC Helmholtz Perspektiven 02/2019 3 3

I N T E R V I E W nicht nur erkennen, wann eine Zelle vom gesunden Muster abweicht, sondern sie auch wieder in die richtigen Bahnen lenken. Sie bringen in der Initiative Forsche- rinnen und Forscher aus ganz Europa zusammen … … und aus ganz verschiedenen Diszi- plinen, genau. Ich bin überzeugt, dass wir wirkliche Veränderungen in der Gesundheitsversorgung nur dann bewirken können, wenn wir Experten aus unterschiedlichen Fachrichtungen zusammenbringen – und das tun wir. Ich glaube fest daran, dass das hier nicht nur akademisch interessante Wege sind, sondern dass am Ende Produkte stehen werden, die den Menschen wirklich helfen können. Deshalb stehen wir schon jetzt mit den Praktikern im engen Aus- tausch, schließlich geht es uns um die Anwendung. Noch steht die Initiative am Anfang. Wie realistisch ist ein Erfolg? Das ist ungefähr so, als würde man Herrn Röntgen fragen, ob er glaube, mit dem Röntgenbild medizinische Fortschritte erzielen zu können. Der hätte auch nicht gezweifelt. Unsere Methoden sind so viel sensitiver als frühere Ansätze und geben so viel mehr Informationen auf der molekularen Ebene preis, dass wir ganz klar bessere Diagnosen werden stellen können. Wir werden neue Angriﬀspunkte ﬁnden, über die wir Krankheiten besser in den Griﬀ bekommen. Lapidar gesagt: Angaben zum Blutdruck oder zur Tempe- ratur reichen bei molekularen Krank- heiten wie Alzheimer einfach nicht aus. Für mich ist tiefes Verstehen der ein- zige Schritt zum Heilen. Da unterschei- den wir uns von anderen Initiativen. Forschung triﬀt auf moderne Architektur Das Muster des neuen BIMSB-Gebäudes in Berlin-Mitte erinnert an Pﬂanzenranken oder DNA-Stränge und reﬂektiert Sonnenlicht. Bild: Noshe 3 4 Helmholtz Perspektiven 02/2019 Sie spielen damit auf ein anderes Großforschungsprojekt an, an dem Sie auch beteiligt sind: den Human Cell Atlas. Ja, bei dieser Initiative geht es darum, die Zelltypen im menschlichen Körper molekular zu erfassen. Bei LifeTime wollen wir mehr: Wir befassen uns mit dem Lebensverlauf von Zellen bei fortschreitenden Krankheiten. Auch me- thodisch gibt es Unterschiede, wir legen zum Beispiel den größeren Schwerpunkt auf maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz. Uns verbindet dennoch vieles, und fast alle europäischen Partner sind auch an der US-Initiative Human Cell Atlas beteiligt. Braucht es dann wirklich beide Initia- tiven? Alleine das Vorhaben des Human Cell Atlas ist gewaltig und unseres noch mal mehr. Das lässt sich nicht zusammenfas- sen. Außerdem halte ich es für wichtig, dass wir in Europa den Patienten helfen und Verbesserungen in der Medizin anstreben, das können Sie nicht in die USA auslagern. Die Steuerungsgruppe des Human Cell Atlas sieht das übri- gens genauso und unterstützt uns (und umgekehrt). Wie ist bei LifeTime aus der Idee die große Forschungsinitiative geworden? Die für LifeTime so wichtige Methode der

Organe im Mini-Format In der Petrischale gezüchtete menschliche Mini-Organe (Organoide) ermöglichen personalisierte Krankheitsmodelle. Sie können zeigen, wie die Zellen wachsen, sich regenerieren und welche Veränderungen zu Krankheiten führen. Bild: A. Rybak Wolf/MDC Einzelzellanalysen machen wir ja hier am neuen Berliner Institut für Medizini- sche Systembiologie (BIMSB) des Max- Delbrück-Centrums – da lag es nahe, noch mehr rausholen zu wollen. Ich habe darüber lange nachgedacht und an einem Wochenende die entscheidenden fünf Seiten zur Vision aufgeschrieben (lacht). Aber im Ernst: Natürlich habe ich viel mit sehr guten Kollegen diskutiert. So sind noch andere Aspekte wie etwa die Epigenetik ins Konsortium gekom- men, aber die Vision ist immer noch die gleiche. Was braucht es, um diese inhaltliche Vielfalt zusammenzuhalten? Wir sind zusammengekommen, weil wir hinter einem gemeinsamen Ziel stehen. Das zu spüren, ist etwas ganz Tolles. Wir können es auch nur zusammen erreichen. Dafür brauchen wir natürlich Fördergelder, auch europäische. Und organisatorisch? Ich versuche, intensiv mit den Beteiligten zu sprechen, immer für das Konsortium da zu sein. Und dann gibt es natürlich die Kernpartner aus den verschiedenen Ländern, die dort LifeTime umsetzen. Mit ihnen ist der Austausch besonders eng, teils treﬀen wir Entscheidungen gemein- sam. Häuﬁg ist meine Rolle einfach, die Diskussion voranzutreiben. Sie haben gerade erst als Direktor das BIMSB eröﬀnet – wie ﬁnden Sie da überhaupt noch Zeit für die LifeTime- Initiative? Als Ausgleich spiele ich leidenschaftlich gerne Klavier, ohne das ginge es nicht. Sie haben natürlich recht. Die Arbeits- tage sind lang, aber es ist einfach eine enorm spannende Zeit. Bedenken Sie: Vor ein paar Jahren wäre unser komplet- ter Ansatz so noch gar nicht möglich ge- wesen, die Methoden haben sich gewaltig • Ziel der Forschungsinitiative ist es, die Aktivität des menschlichen Genoms in einzelnen Zellen während des Alterungsprozesses und im Fall von Krankheiten zu verfolgen und zu entschlüsseln. • Das Fachmagazin „Science“ hat die verwendeten Einzellzellmethoden und den Beitrag von LifeTime-Forschern zum „Breakthrough of the Year 2018“ gekürt. • Rund 120 Wissenschaftler aus 53 Forschungseinrichtungen in 18 Ländern sind an LifeTime beteiligt, darunter Forscher aus den Disziplinen Einzelzellbiologie, Informatik, Mathematik, Pathologie, Bildgebung sowie Physik. • Mehr als 60 Unternehmen und große europäische Forschungseinrichtungen unterstützen LifeTime, darunter Helmholtz in Deutschland, das „Centre national de la recherche scientiﬁque“ (CNRS) und das „Institut national de la santé et de la recherche médicale“ (INSERM) in Frankreich und der Wellcome Trust im Vereinigten Königreich. • LifeTime erhält ab Mai 2019 eine einjährige Förderung aus Horizon 2020, dem EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation. Die Fördergelder in Höhe von einer Million Euro sollen zur weiteren Ausarbeitung des Projektes dienen. Insgesamt hatten sich mehr als 30 Forschungsinitiativen um die Förderung beworben. Nur sechs Initiativen wurden in einem umfassendem Peer-Review- Verfahren ausgewählt – darunter LifeTime. Nikolaus Rajewsky, geboren 1968 in Köln, studierte Physik, Mathematik sowie Klavier. Seit 2006 ist er Professor am Max-Delbrück-Centrum (MDC) und an der Charité in Berlin. Er ist Leiter des Berliner Instituts für Medizinische Systembiologie (BIMSB). weiterentwickelt. Die Biologie ist jetzt an einem Punkt, an dem die Astronomie im 17. Jahrhundert mit solchen Helden wie Kepler und Newton oder Brahe war. So wie es damals darum ging, die Gesetze der Laufbahn von Planeten zu erklären, wollen wir die Laufbahn von Zellen erfor- schen. Das ist eine große Aufgabe. Und von ähnlicher Bedeutung.  Interview: Kristine August 3 5

F O R S C H U N G J W D „Wir sehen, hören und fühlen den Klimawandel“ Bis zu zwei Wochen kann es dauern, bis Doris Abele ihren Arbeitsplatz erreicht: So lange braucht die Meeresbiologin zur Polarforschungsstation Carlini. Hier, am nördlichsten Zipfel der Antarktischen Halbinsel, erforscht sie, wie sich die Gletscherschmelze auf den Lebensraum dieser Küsten auswirkt. Keeling-Kurve, die ihr der Kollege damals zeigte, gilt heute als wichtiger Beleg für die vom Men- schen verursachte Erderwärmung. Die argentinische Carlini-Forschungsstation liegt an der Spitze der westantarktischen Halb- insel: „Wenn Sie die Karte der Antarktis jetzt vor sich hätten, dann würden Sie da eine Nase sehen, die in Richtung Südamerika zeigt“, beschreibt Doris Abele die Lage der Station, die vom argenti- nischen Antarktischen Institut und der nationalen Antarktisbehörde betrieben wird. Ein klein wenig westlich von der Spitze dieser Nase liegt die Insel King George, auf der sich die Station Carlini und das mit dem Alfred-Wegener-Institut (AWI) gemeinsam betriebene Dallmann-Labor beﬁnden. Zur deutschen Antarktisstation Neumayer III sind es von hier aus knapp sechs Tagesreisen. Auf ihrer ersten Reise in die Antarktis im Jahr 1995 zeigte ein Kollege der Klimafor- scherin Doris Abele auf einem Monitor die stetig ansteigende Kurve des Kohlenstoﬀdioxid- gehalts in der Atmosphäre. „Kommt das von den Dieselgeneratoren unserer Forschungsstation?“, wunderte sich Abele. Die Antwort: „Nein, wir messen viel weiter oben in der Atmosphäre.“ Damals war Kohlenstoﬀdioxid (CO2) in der breiten Öﬀentlichkeit noch kaum ein Thema, man machte sich zunächst mehr Gedanken über das wachsende Ozonloch. Ein paar Jahre später begriﬀ Abele, die am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven arbeitet, dem Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung, welche weitrei- chenden Auswirkungen genau diese Kurve auf das Ökosystem in der Antarktis hat. Die sogenannte „Auf einem Helikopterflug habe ich gesehen, wie zerklüftet dieser Gletscher geworden ist: wie ein Sieb!“ Doris Abele 3 6 3 6 Helmholtz Perspektiven 02/2019 Helmholtz Perspektiven | Winter 2016/17 Häuﬁger Gast Seit 1995 war die Meeresbiologin Doris Abele bereits zwölf Mal auf der Carlini-Station. Bilder: Doris Abele/AWI

Dallmann Labor Neumayer III Carlini Larsen-C-Schelfeis Seit den 1990er-Jahren zieht es die heute 61-jäh- rige Biologin immer wieder in die Antarktis: „Landschaftlich kann es hier sehr schön sein“, schwärmt sie. „An manchen Tagen liegt die Bucht glatt wie ein Spiegel vor einem, dahinter der glit- zernde Gletscher.“ Solche idyllischen Eindrücke täuschen über das anstrengende Leben vor Ort hinweg: Wenn man sich der Carlini-Station vom Wasser aus nähert, erblickt man als Erstes eine Gruppe steil aufragender Felsen – Überbleibsel eines Vulkanausbruchs in grauer Vorzeit. Am Fuße dieser Felsformation steht ein Dutzend rot gestrichener Häuschen auf Metallstelzen, die sich bei genauerem Hinsehen als aufeinandergestapelte Containergebäude entpuppen. In jedem Container kommen vier Forscher unter, die wie in einer Jugendherberge in Doppelstockbetten schlafen. Deutsche Wissenschaftler dürfen nur im antarktischen Sommer von November bis April auf der Carlini-Station forschen, zu dieser Jahreszeit ist die Station „pickepackevoll“ mit 40 Wissen- schaftlern und 50 Militärangehörigen. „Einsam fühle ich mich da nie“, schildert Doris Abele. „Jeder kennt jeden, und es herrscht ein sehr freundlicher Umgang.“ Der antarktische Weite Anreise Die Carlini-Station mit dem Dallmann- Labor liegt in Potter Cove, im Archipel der Südlichen Shetlandinseln. Bild: Anders Torstensson; Quelle Karte: British Antarctic Survey G r o ß e r W a n d e l D o r i s A b e l e k o n n t e b e o b a c h t e n , w i e s i c h d i e R e g i o n d u r c h d i e g l o b a l e E r w ä r m u n g v e r ä n d e r t h a t . Unterwegs per Schlauchboot Um Wasserproben zu entnehmen, fahren die Forscher mit Schlauchbooten hinaus. Künftig sollen automatische Messsysteme installiert werden. Helmholtz Perspektiven | Winter 2016/17 Helmholtz Perspektiven 02/2019 3 7 3 7

F O R S C H U N G J W D Z u s a m m e n u n t e r w e g s M e e r e s b i o l o g e n , B i o g e o c h e m i k e r u n d G e o l o g e n J e r o s c h / A W I f o r s c h e n K e r s t i n l d : B i G l a z i o l o g e n , i n d e r R e g i o n . Voll ausgestattet Das Dallmann-Labor wurde 1994 eröﬀnet und besteht aus einem Wohnhaus, Laborplätzen, einer Werkstatt, Aquarien und einer Forschungstaucherbasis. Bild: Doris Abele/AWI video Ein Video über die Arbeit der Forscher auf der Carlini-Station gibt es hier: www.helmholtz.de/ carlini Winter mit bis zu minus 20 Grad ist den Logis- tikern des argentinischen Militärs und ein bis zwei argentinischen Forschern vorbehalten. Abele erlebte die eher milden Sommertemperaturen von minus acht bis plus sieben Grad. Für Lebensmittel sorgt das argentinische Militär, das die Station einmal im Jahr mit einem eisgängigen Frachtschiﬀ ansteuert. „Dann müssen Militärs und Wissen- schaftler gleichermaßen die einzelnen Kisten mit Mehl, Nudeln, Konserven, Zucker und Wurst vom Strand in die Station tragen.“ Frisches Obst und Gemüse gibt es auf der Station nicht. „Ich stürze mich da immer auf jeden verschrumpelten alten Apfel, den jemand mitbringt“, lacht Doris Abele. „Die Gletscherschmelze in der Antarktis lässt den Meeresspiegel auf der ganzen Welt ansteigen.“ Auf einer Insel im Südozean ge- legen, ist die Carlini-Forschungs- station nur per Schiﬀ oder per Flugzeug erreichbar. Bis 2005 konnten kleine Flugzeuge vom Typ Twin Otter direkt auf dem Gletscher an der Station landen. Mit dem Klimawandel aber haben sich so viele Risse und Spalten aufgetan, dass eine Landung unmöglich geworden ist. „Auf einem Helikopterﬂug habe ich gesehen, wie zerklüf- tet dieser Gletscher geworden ist: wie ein Sieb!“ Die Region ist ein Hotspot der Klima- erwärmung: Während die Temperaturen in den ver- gangenen 100 Jahren global um 0,8 Grad gestiegen M a r i n e L e b e w e s e n i m B l i c k D o r i s A b e l e u n t e r s u c h t u n t e r a n d e r e m , w i e m a r i n e O r g a n i s m e n u n d g a n z e L e b e n s - g e m e i n s c h a f t e n a u f d e n K l i m a w a n d e l r e a g i e r e n . B i l d : D o r i s A b e l e / AW I sind, betrug die Erwärmung an der Spitze der Ant- arktischen Halbinsel rund drei Grad. „Das ist ein nie da gewesener Temperaturanstieg.“ Gemeinsam mit ihrem Kollegen Gerhard Kuhn vom AWI hat Doris Abele den Rückzug des Gletschers seit dem Ende der Kleinen Eiszeit erforscht. Der Einﬂuss, den die Antarktis auf den Rest des Planeten hat, sei enorm, so der Geologe: „In der Antarktis liegt die größte Eismasse der Welt.“ Doris Abele bekräf- tigt: „Die Gletscherschmelze in der Antarktis lässt den Meeresspiegel auf der ganzen Welt ansteigen.“ Seit ihrer ersten Expedition in die Antarktis hat Doris Abele deutliche Veränderungen regis- triert: „Als ich 1995 zum ersten Mal dort war, habe ich nichts von dem Gletscher hinter der Station gehört, es herrschte eisige Stille.“ 20 Jahre später war in der ganzen Bucht ein ständiges Rumsen und Donnern von den zerberstenden Eis- blöcken zu hören. „Wir sehen, hören und fühlen den Klimawandel“, sagt die Wissenschaftlerin. Von Jahr zu Jahr konnten die Forscherin und ihre Kollegen beobachten und messen, wie die Eisfront des Gletschers zurückwich und an Höhe verlor. „Früher bin ich mit meinem Eisbehälter zu Fuß zum Gletscher gestapft und habe mir Eis zum Kühlen meiner biologischen Proben geholt“, erzählt sie. Inzwischen hat sich der Gletscher so weit zurückgezogen, dass sie einen halben Tag bis zu seinen Ausläufern brauchen würde. Satelliten- bilder zeigen, dass vor allem der seeseitige Teil des Gletschers im Laufe von 60 Jahren um nahezu einen Kilometer abgeschmolzen ist. Seit 2016 beﬁndet sich dieser Gletscher nur noch auf dem Land und ragt nicht mehr in die davorliegende Bucht. Internationale Aufmerksamkeit erregte vor zwei Jahren die Nachricht, dass ein 175 Kilometer langer Eisberg vom Larsen-C-Schelfeis in der Ant- arktis abgebrochen sei. Solche Nachrichten kann 3 8 Helmholtz Perspektiven 02/2019

E x t r e m a n g e p a s s t D o r t , w o d e r G l e t s c h e r s c h w i n d e t , w a c h s e n F l e c h t e n , M o o s e u n d a n t a r k t i s c h e G r ä s e r. B i l d : D o r i s A b e l e / AW I Genau beobachtet Ziel des Dynamo-Projekts ist der Aufbau eines dauer- haften Messnetzes im Beagle-Kanal im Süden Feuerlands. Es soll klimabedingte Veränderungen an der Küste Patagoniens aufzeichnen. Bild: A. Vitale/IADO Doris Abele unmittelbar einordnen, denn sie ist im Laufe ihrer Karriere zu einer Kennerin der Be- dingungen in der Antarktis geworden. Insgesamt zwölf Mal war Abele auf der Carlini-Station, jeweils für mehrere Monate. Zusammengerechnet, sagt sie, sind es drei Jahre ihres Lebens gewesen. Für ihre beiden inzwischen erwachsenen Söhne war es oft schwierig, dass sie zwischen Bremerhaven und der Antarktis pendelte, räumt Doris Abele ein. Für Wissenschaftler sei das Leben in einer Forschungs- station jedoch ideal: „Wenn ich möchte, kann ich mich Tag und Nacht in die Arbeit vertiefen. Das ist für einen Wissenschaftler – ähnlich wie für einen Künstler oder Schriftsteller – ein großer Luxus.“ In ihrer Forschung konzentriert sich Doris Abele auf die Frage, ob und wie sich antarkti- sche Organismen und Lebensgemeinschaften an veränderte Umweltbedingungen anpassen können. „Wenn sie mit den Bedingungen nicht mehr klar- kommen, verändert sich das Artenspektrum“, so die Forscherin. „Vor allem interessiert uns, wie die neuerdings eisfreien Flächen unter Wasser von Al- gen und marinen Tieren wie Seescheiden, Schwäm- men und Schnecken besiedelt werden. Besiedlung, Wachstum und Umsatz von organischem Kohlen- stoﬀ in den ﬂachen Küstenbereichen sind stark vom Temperaturanstieg und dessen Folgen beeinﬂusst.“ „Wenn wir nichts tun, wird die westliche Antarktis irgendwann so aussehen wie Südamerika heute.“ Jetzt will Doris Abele eine Region weiter nördlich erforschen: den Beagle-Kanal zwischen Argenti- nien und Chile. Wegen des argentinisch-chileni- schen Grenzkonﬂikts der vergangenen Jahrzehnte wurde diese Wasserstraße bisher zu wenig un- tersucht. Die politische Lage hat sich nun so weit entspannt, dass Forscher aus Argentinien, Chile, den USA und Deutschland erstmals versuchen, ein Messnetz zu installieren, um Umweltverände- rungen im Beagle-Kanal zu erfassen. Das Bundes- ministerium für Bildung und Forschung fördert das sogenannte Dynamo-Projekt mit 300.000 Euro in der ersten Projektphase. Für Doris Abele stellt sich ihre Forschung auf dem südamerikanischen Kontinent als Zeit- maschine dar: „Wenn wir nichts tun, wird die westliche Antarktis irgendwann so aussehen wie Südamerika heute“, sagt sie mit Blick auf die dramatischen Folgen des Klimawandels: „Gräser und Pﬂanzen wachsen, Menschen siedeln sich an und züchten Schafe.“ Schon jetzt beobachten Forscher, dass sich um die Carlini-Forschungs- station eine Humusschicht bildet. Was wie ein idyllisches Bild aussehen könnte, hätte jedoch für das antarktische Ökosystem drastische Folgen: Organisches Material, welches vom Land ins Meer geschwemmt wird, ist anders zusammen- gesetzt als mariner „Kompost“. Im Küstenbereich würde dies die Nährstoﬀverhältnisse und die mikrobiellen Stoﬀumsätze ändern, Kelpwälder würden sich ausbreiten. In der Antarktis behei- matete Organismen, die auf eine nährstoﬀarme Umgebung angewiesen sind, müssten sich neue Lebensräume suchen. „Dann gibt es dort keinen Krill und schließlich auch keine Pinguine mehr“, so Doris Abele. Einig sind sich Doris Abele und Antarktis- forscher aus der ganzen Welt in einem Punkt: Solange der Mensch weiterhin ungebremst CO2 freisetzt und die Keeling-Kurve weiter ansteigt, schmelzen auch die Gletscher in der Antarktis unaufhaltsam weiter ab – mit weitreichenden Folgen für das ökologische Gleichgewicht auf der Erde und für die Menschheit.  Marie Heidenreich BILDERGALERIE Mehr Eindrücke gibt es in unserer Bildergalerie unter: www.helmholtz.de/ jwd Helmholtz Perspektiven 02/2019 3 9

P O R T R ÄT Gipfelstürmer im zweiten Anlauf Der Karlsruher Physiker Wolfgang Wernsdorfer wurde 2019 mit dem Leibniz-Preis ausgezeichnet. Seine Karriere begann er als Lehrling bei einem Elektriker – und hat dort einiges für seine heutige Forschung an den Computern der Zukunft gelernt. Diese eine Bedingung stellte seine Frau, be- vor sie vor rund 20 Jahren in die Hochzeit einwilligte: „Sie hat mir verboten, über Nacht im Labor zu bleiben“, sagt Wolfgang Werns- dorfer mit einem herzlichen Lachen: „Die Abma- chung war: Wenn bei ihr morgens der Wecker klingelt, damit sie pünktlich zur Arbeit kommt – spätestens dann muss ich im Bett liegen.“ Viele Jahre liegt dieses Versprechen inzwischen zurück, und der heute 52-jährige Physiker musste sich da- mals einen neuen Arbeitsrhythmus angewöhnen. Die Nächte waren für ihn bis dahin die bevor- zugte Zeit für seine Messungen im Labor gewesen. Die Entdeckung, die ihn zu einem der weltweit anerkannten Pioniere im Bereich des Quanten- Nanomagnetismus machen sollte, geht auch auf eine Nachtschicht zurück: 1998 war es, Wolfgang Wernsdorfer arbeitete mit einem speziellen Mole- kül (einem sogenannten Einzelmolekülmagneten von acht Eisenatomen) und entdeckte daran ma- gnetische Eigenschaften, die sich für den Einsatz in Quantencomputern eignen könnten. Er merkte sofort, dass das ein Durchbruch ist: „Ich war so begeistert, dass ich drei Tage lang nicht schlafen konnte, ich habe einfach immer weitergemessen“, erinnert er sich – so lang, bis seine spätere Frau den Nachtschichten einen Riegel vorschob. Werns- dorfers wissenschaftlichem Erfolg schadete der geregelte Tagesrhythmus indes nicht. Als er die Entdeckung mit dem Eisen-8-Mo- lekül machte, war er als junger Forscher im fran- zösischen Grenoble tätig, wo er danach auch als Forschungsdirektor wirkte. In Deutschland ist er erst wieder seit 2016: Damals bekam er eine der renommierten Alexander von Humboldt-Profes- suren und baut seither am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eine Plattform für Quantenspin- tronik auf. Sein Forschungsgebiet gilt als einer der komplexesten Bereiche der Physik. Zu den großen Zielen gehört die Entwicklung von elektronischen 4 0 Helmholtz Perspektiven 02/2019 Schaltkreisen für Quantencomputer – die sollen eines Tages die Rechenleistung von heutigen Computern weit übertreﬀen. Dahinter stecken so- genannte Qbits: Während klassische Computer mit Bits arbeiten, die immer den Wert null oder eins annehmen, nutzen Quantencomputer als kleinste Recheneinheit Qbits, bei denen es auch Werte zwischen null und eins gibt. Dadurch können sie viele Rechenschritte parallel ausführen. Wenn Wolfgang Wernsdorfer darüber spricht, in seinem Büro im dritten Stock des Karlsruher Physikhochhauses, dann ist er gar nicht so weit entfernt von dem Ort, an dem seine Karriere begann. Er ist das zweite von sieben Geschwister- kindern, sein Vater war Goldschmied in Würzburg. „Das war ein klassisches Handwerkermilieu. Das Gymnasium ist nur was für die Neunmalgeschei- ten, so dachten wir damals“, erinnert sich Wolf- gang Wernsdorfer. Er selbst machte den Haupt- schulabschluss und ging mit 15 Jahren bei einem Handwerksbetrieb in die Elektrikerlehre. „Einer meiner Kollegen ging danach auf die Berufsaufbau- schule, und ich war in der Lehre immer besser als er. Also dachte ich: Das kann ich auch!“ Nach und nach holte Wernsdorfer das Abitur nach, und wenn er es schon so weit gebracht hatte, dann wollte er auch studieren. „Bio und Chemie waren mir mit zu viel Auswendiglernen verbunden, für Mathe war ich nicht gut genug“, sagt Wolfgang Wernsdorfer heute, und es klingt fast wie Koketterie, wenn er anfügt: „Also blieb nur Physik übrig.“ Immer weiter arbeitete sich der Elektriker- geselle nach oben; bald entdeckte er, dass er zu den Besten im Studium gehörte. Nach sechs Semestern bewarb er sich um ein Stipendium in Frankreich – „damals gingen in Europa die Grenzen gerade erst auf und ich dachte mir, dass da schon irgendetwas Interessantes passieren wird“. Er behielt recht: Seinen Abschluss machte er in Frankreich. Da er auf einer der Eliteschulen in Lyon war, rissen

P O R T R ÄT Über alle Berge In seiner Freizeit trainiert Wolfgang Wernsdorfer für bis zu 40-stündige Berg- läufe. Bild: Bruno Lavit www ONLINE Mehr Porträts finden Sie hier: www.helmholtz.de/ portraits sich die Labors darum, dass er bei ihnen promo- vierte. Zwei Jahre brauchte er für die Doktorarbeit, danach öﬀneten sich ihm die nächsten Türen. Er blieb in Frankreich, seine vier Kinder im Alter von 11 bis 20 Jahren wuchsen zweisprachig auf. „Jetzt bin ich zwar wieder fast drei Jahre zurück in Deutschland“, sagt Wernsdorfer und schmunzelt, „aber wenn ich Vorlesungen auf Deutsch halten muss, fällt mir das immer noch schwer.“ Rund zwei Jahrzehnte lang publizierte er auf Englisch und lehrte auf Französisch – „mein Deutsch ist das eines Elektrikers!“ Dabei sind die Themen, über die er spricht, denkbar komplex. Etwa, wenn er erläutert, warum seine Plattform für Quantenspintronik so einzigartig ist: „Es gibt ver- schiedene Möglichkeiten, Qbits zu bauen. Meistens geschieht das derzeit mit Halbleitern oder Supra- leitern. Ich beschäftige mich hingegen auch mit molekularen Systemen.“ Es geht also darum, mit- hilfe welcher Materialien Quanteninformationen verarbeitet werden. Üblicherweise werden dazu bislang Halb- oder Supraleiter eingesetzt. Werns- dorfer hat herausgefunden, dass auch manche Moleküle diese Aufgabe übernehmen können – er erschließt damit eine neue Materialklasse für die Quantenphysik. Das ist ein Durchbruch, für den er damals in seinen durchgearbeiteten Nächten mit dem Eisen-8-Molekül die Grundlage legte. „Ich hoﬀe, dass die molekularen Systeme irgendwann besser sein werden als die Halbleitersysteme und die supraleitenden Systeme, da Moleküle kleiner sind und sich billiger herstellen lassen.“ Der Kreis von Kollegen, die sich auf dieses Gebiet spezialisiert haben, ist recht klein: Auf fünf gute Gruppen von Physikern schätzt ihn Wolfgang 4 2 Helmholtz Perspektiven 02/2019 Wernsdorfer; im Bereich der Chemie gebe es etwa 40, von denen die Hälfte mit ihm und seinem Team zusammenarbeiten. Seine Reputation in diesem Bereich beweist der jüngste Höhepunkt seiner Kar- riere: In diesem Jahr wurde Wernsdorfer für seine Forschung mit dem Gottfried Wilhelm Leibniz- Preis der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der mit 2,5 Millionen Euro dotiert ist, ausgezeichnet. Von diesem Olymp der Wissenschaft aus betrachtet: War seine Elektrikerlehre ein Umweg? Zur Antwort deutet Wolfgang Wernsdorfer auf die Wand, auf die er von seinem Schreibtisch aus blickt. Einen riesigen Zollstock hat er dort aufgehängt – „mit dem habe ich als Elektriker gearbeitet, und in Grenoble hatte ich ihn immer im Labor dabei. Die Kollegen fanden das lustig, deshalb haben sie ihn mir zum Abschied in fünﬀa- cher Vergrößerung aus Holz nachgebaut“, sagt er und lacht. Zehn Meter lang ist das Modell, und es erzählt viel über den Physiker: Zu Wernsdorfers Erfolgsrezepten gehört, dass er seine Laboraus- stattung zu großen Teilen selbst konstruiert und gebaut hat. Das sei ein Überbleibsel aus seiner Zeit als Handwerker: die Fingerfertigkeit, gepaart mit der Intuition, wie etwas aufgebaut sein muss, damit es funktioniert. In jeder freien Minute geht Wernsdorfer die zwei Stockwerke hinunter in sein Labor, um dort zu arbeiten. „Ich will nicht aus der Übung kommen. Mein Ehrgeiz ist es, im Labor besser zu sein als die Studenten.“ Wernsdorfer hält kurz inne, dann fügt er trocken hinzu: „Aber manchmal holen sie einen dann doch ein!“ Immerhin kann er jetzt ab und zu eine Nacht- schicht einlegen, ohne dass seine Frau protestiert. Die nämlich ist mit den Kindern in Grenoble geblieben. „Wenn ich in Karlsruhe bin, arbeite ich hauptsächlich im Labor, und das mit voller Energie“, sagt er, „und wenn ich dann mindestens alle zwei Wochen nach Frankreich fahre, konzent- riere ich mich ganz auf die Familie.“ Und auf sein großes Hobby, den Berglauf. Der große Nachteil an Karlsruhe sei der Mangel an Bergen, sagt Werns- dorfer, und so trainiert er fast nur, wenn er gerade in den Alpen ist. Für den Sommer hat er sich ge- rade wieder einmal zum legendären Berglauf von Grenoble angemeldet. 160 Kilometer am Stück, 11.000 Höhenmeter geht es dabei rauf und runter, Laufzeit etwa 40 Stunden. „Wenn man weiß, was der eigene Körper braucht und wie er funktioniert, kann man sein Erfolgsrezept für den Lauf ﬁnden“, sagt Wolfgang Wernsdorfer – im Prinzip sei das genauso wie in der Wissenschaft.  Kilian Kirchgeßner

K L E I N E F O R S C H E R Das Insektenhotel E X P E R I M E N T In einer intakten Umwelt brauchen Insekten keine Überlebenshilfe. Doch in unseren aufgeräumten Gärten und Städten ﬁnden Wildbienen, Marienkäfer und Co nur noch selten in Laub oder abgestorbenen Bäumen einen sicheren Unterschlupf. Mit einem Insektenhotel kannst du den kleinen Krabblern helfen! Das brauchst du: So wird's gemacht: grosse konservendose Zweige (kein nadelholz) Bambusstäbe 1. Reinige die Konservendose gut und trockne sie. Achte darauf, dass die Dose keine scharfen Ränder hat (Verletzungsgefahr)! 2. Bohre in einen Holzklotz Löcher unterschiedlicher Größe mit einem Durchmesser von ungefähr ein bis zwei Zentimetern und einer Tiefe von etwa fünf bis zehn Zentimetern. 3. Schneide die trockenen Zweige, die Bambusstäbe und das Stroh so, dass die Füllmaterialien etwa zwei Zentimeter kürzer als die Dose sind. Stecke den Holzklotz und die Füllmaterialien längs in die Dose. Achte darauf, dass die Dose gut gefüllt ist, sodass nichts mehr herausfallen kann. Stroh Gartenschere 4. Mit dem Bindfaden kannst du die Dose an einem geschützten, sonnigen Ort festbinden. Die Öffnung muss ganz leicht nach unten zeigen, damit kein Regenwasser eindringen kann. Holzklotz Bohrer bindfaden Erklärung: Der Mensch hat in der Vergangenheit sehr stark in die Natur eingegriffen. So werden Felder vermehrt mit Insektengiften behandelt, Grünﬂächen bebaut, natürliche Schutzräume, wie umgestürzte Bäume oder Laubhaufen, beseitigt und Gewässer begradigt oder trockengelegt. Dadurch gehen natürliche Lebens- räume für Insekten verloren – eine wesentliche Ursache für das Verschwinden vieler Insektenarten. Arten, die durch ein Insek- tenhotel gefördert werden, sind meist für die Natur sehr wertvoll. Sie helfen zum Beispiel beim Bestäuben von Pﬂanzen und sind natürliche Feinde von Pﬂanzenschädlingen. UFZ-Schülerlabor Das UFZ-Schülerlabor in Leipzig bietet Schülerinnen und Schülern die Möglichkeit, Einblicke in die moderne Umweltforschung zu erlangen und einige der aktuellen Versuche selbst durchzuführen. Das Angebot richtet sich an Ober- und Gymnasialschülerinnen und -schüler ab Klassenstufe 9 und an Auszubildende von Berufsschulen im Rahmen von Projektwochen, -tagen oder -stunden sowie an Studierende, Referendare und Lehrkräfte in Form von Fortbildungen. Dieses Experiment stammt von: UFZ-Schülerlabor Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH – UFZ Permoserstraße 15, 04318 Leipzig Tel.: +49 341-2351845 E-Mail: schuelerlabor@ufz.de www.ufz-schuelerlabor.de Helmholtz Perspektiven 02/2019 4 3 4 3 ONLINEMehr über die Schülerlabore unter: www.helmholtz.de/schuelerlaborewwwVIDEODen Versuch gibt es auch als Video unter: www.helmholtz.de/experiment