Perspektiven

Perspektiven_Jun2020

Wenn die Wüste bleibt Sandige Hügel, so weit das Auge reicht. Das war nicht immer so, hier im Tal des Flusses Kali Gandaki in Nepal. Bis vor rund 2.000 Jahren stand hier Wald auf fruchtbarem Boden – bis die Menschen ihn abholzten, um Weideﬂ ächen zu gewinnen. Als es vor 1.600 Jahren zu einer länger anhaltenden Trockenheit kam, kippte das Ökosystem: Pﬂ anzen verdorrten und bei seltenen Starkregen riss das Wasser tiefe Gräben in die Landschaft und die Böden wurden weggeschwemmt. Der Verlust der Böden und der Vegetation sei irreversibel, urteilt ein Forschungsteam um Johanna Menges vom Helmholtz-Zentrum Potsdam – Deutsches Geo- ForschungsZentrum (GFZ). Im Gebiet untersuchten die Forscher Sedimente sowie molekulare Fos- silien von Pﬂ anzen und ermittelten so den „Kipppunkt“, ab dem die Schäden in dieser Region irrever- sibel sind: ein Schwellenwert von 200 Millilitern Niederschlag pro Jahr. Selbst wenn es wieder mehr regnet, gibt es kein Zurück mehr zu einem intakten Ökosystem. Davon zeugt auch dieses Bild: Im Vorder- grund sind die Rinnen zu sehen, die durch die Erosion entstanden sind und bleiben. Im Hintergrund geht gerade einer der seltenen Sommerregenfälle nieder, der den Boden auch hier wegspülen wird.  Franziska Roeder www ONLINE Mehr eindrucksvolle Bilder aus der Wissenschaft ﬁ nden Sie hier: www.helmholtz.de/ wissenschaftsbild Helmholtz Perspektiven | Winter 2016/17 s e g n e M . J / Z F G : d l i B 3

I N H A LT TITELTHEMA 08 Der Corona-Eﬀekt Wie wirkt sich die Pandemie auf das Verhältnis zur Wissenschaft aus? 14 Übersicht zu SARS-CoV-2 Woran derzeit geforscht wird WISSENSCHAFTSBILD 02 Wüstenbildung INFOGRAFIK 06 Signale aus dem All Wie Forscher Neutrinos, Gravitationswellen & Co. detektieren STANDPUNKTE 30 EU: Wie marktnah sollen Forscher arbeiten? Zwei Blickwinkel: Peter Dröll und Björn Nagel PORTRÄT 40 Im Bergwerk der Daten Xiaoxiang Zhu FORSCHUNG 07 Helmholtz extrem Der größte Organismus 16 Helmholtz kompakt Neues aus der Helmholtz-Welt 19 Nachgefragt Polt sich das Erdmagnetfeld um? 20 Eine Frage der Erde Unvereinbar? Nachhaltige Landwirtschaft und hohe Erträge 24 Aufbruch zu einer neuen Welt Wie Quantentechnologien die Wissenschaft von Medizin bis Materialforschung revolutionieren 32 Kleine Schadstoﬀfresser Giftresistenten Winzlingen auf der Spur 36 Helmholtz weltweit Wie der Klimawandel Permafrostküsten verändert EXPERIMENT 43 Kleine Forscher Elektrisch leitfähige Knete 08 24 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 V.i.S.d.P.: Sara Arnsteiner Anna-Louisa-Karsch-Str. 2 · 10178 Berlin Tel. +49 30 206329-57 · Fax +49 30 206329-60 Chefredaktion Annette Doerfel Schlussredaktion Andrea Mayer Artdirektion Stephanie Lochmüller Layout Stephanie Lochmüller, Kathrin Schüler Redaktion Kristine August, Annette Doerfel, Kai Dürfeld, Kilian Kirchgeßner, Christin Liedtke, Christian Meier, Ralf Nestler, Franziska Roeder, Martin Trinkaus, Julika Witte Bildnachweise Titel/Umschlag: D-Wave Systems, Shutterstock/ Sunward Art, Shutterstock/DOERS; S. 4–5: picture alliance/Marcella Winograd/Cover Image, Shutterstock/ Sunward Art, D-Wave Systems, Pixabay/Herney Gómez, Stephanie Lochmüller & Freepik (Bildmontage), Julia Eberle/ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München, AWI/Dyke Scheidemann, David Ausserhofer; S. 6: Tanja Hildebrandt; S. 8–9: picture alliance/Marcella Winograd/ Cover Images; S. 10: Shutterstock/Lorna Roberts; S.11: KIT/Markus Breig, Shutterstock/Maria Symchych; S.14–15: Stephanie Lochmüller & Freepik (Icons); S. 18: KIT/Noah Strobel, Heinz Troll, Forschungszentrum Jülich; S. 20: Pixabay/Catkin; S. 22–23: Pixabay/ Mathias Beckmann; S. 24–25: D-Wave Systems; S. 24–29: Shutterstock/Sunward Art; S. 26–28: Shutterstock/local_doctor; S. 30–31: Sylvia Wolf; S. 32–33: Stephanie Lochmüller & Freepik (Bildmontage); S. 34: Shutterstock/Bannafarsai_Stock, Shutterstock/ Bjoern Wylezich; S.36–37: AWI/Dyke Scheidemann; S. 41: Julia Eberle/ediundsepp Gestaltungsgesellschaft, München; S. 43: Tanja Hildebrandt Druck/Vertrieb Druck- und Verlagshaus Zarbock GmbH & Co. KG, Frankfurt a. M. Papier Arctic Volume white ISSN 2197-1579 4 Helmholtz Perspektiven 01/2020

E D I T O R I A L Liebe Leserinnen, liebe Leser, wohl keine Perspektiven-Ausgabe hat so lange in der Entstehung gebraucht wie diese. Die Corona-Krise hat unser Magazin kräftig durcheinandergewirbelt. Nun erschei- nen wir nicht nur einige Wochen später, nein, auf das ursprünglich geplante Titelthema Quantentechnologien „Aufbruch zu einer neuen Welt“ haben wir gleich noch ein zweites draufgepackt: Im Artikel „Der Corona-Eﬀekt“ befassen wir uns damit, wie die Pandemie unser aller Leben beeinﬂusst – und wie sich das Verhältnis von Gesellschaft und Politik zur Wissenschaft langfristig verändern könnte. COVID-19 hat auch ein anderes großes Thema etwas aus den Medien verdrängt: den Klimawandel. Sicherlich nur kurzfristig, denn dieses Thema wird bleiben. Welchen Eﬀekt der Klimawandel auf Permafrostküsten auf der ganzen Welt hat, zeigt uns der Geowissenschaft- ler Hugues Lantuit in Helmholtz weltweit. 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 20 32 40 36 Kostenloses Abo Möchten Sie die Druckausgabe der Helmholtz Perspektiven kostenlos beziehen? Dann schreiben Sie eine E-Mail an: perspektiven@helmholtz.de Helmholtz Perspektiven 01/2020 5

I N F O G R A F I K Signale aus dem All Mit der Multi-Messenger-Astronomie sind Forscher in der Lage, verschiedene Signale aus dem Weltall zu messen und zu interpretieren. Dabei können vier unterschiedliche, extrasolare „Botschafter“ detektiert werden: elektromagnetische Strahlung, Neutrinos, Gravitationswellen und hochenergetische Teilchenstrahlung wie Protonen, Elektronen und ionisierte Atome. Sie werden durch bestimmte astrophysikalische Prozesse erzeugt und geben unterschiedliche Informationen über ihre Quellen preis. Die Grafik zeigt eine Auswahl internationaler Multi-Messenger-Projekte mit maßgeblicher Helmholtz- Beteiligung sowie das derzeit diskutierte europäische Großprojekt „Einstein-Teleskop“. 1. PIERRE-AUGER- OBSERVATORIUM Messgerät: Hybrid-Detektor bestehend aus Fluoreszenzteleskopen und Wasser-Tscherenkow-Detektoren Größe: 3.000 km2 Bau/Inbetriebnahme: 2004–2008 Was wird gemessen: hochenergetische kosmische Strahlung, um ihre Quellen aufzuspüren Ort: Pampa Amarilla (Argentinien) Projekt: 500 Wissenschaftler aus 17 Ländern Beteiligtes Helmholtz-Zentrum: KIT 8. EINSTEIN- TELESKOP Messgerät: Interferometer-System Größe: drei 10 km lange Tunnel Inbetriebnahme: möglicherweise 2030 Was wird gemessen: Gravitationswellen von verschmelzenden Neutronensternen und schwarzen Löchern Ort: Dreiländereck Belgien/Deutsch- land/Niederlande und Sardinien, Italien, im Gespräch Projekt: europäisches Großprojekt in Diskussion Beteiligte Helmholtz-Zentren: KIT, DESY 5. 7. 7. 7. ULTRASAT Messgerät: Mini-Satellit mit UV-Teleskop Größe: < 1 m3, 160 kg Inbetriebnahme: 2024 Was wird gemessen: ultraviolettes Licht Ort: geostationäre Umlaufbahn Projekt: Kooperation zwischen Israel und Deutschland Beteiligtes Helmholtz-Zentrum: DESY 2. CHERENKOV TELESCOPE ARRAY (CTA) Messgerät: Imaging Air Cherenkov Telescope (IACT) Größe: mehr als 100 Teleskope mit bis zu 23 m Durchmesser Bau: 2021–2025 Was wird gemessen: hochenergetische kosmische Gammastrahlen im Bereich von 20 GeV1 bis 300 TeV2 zur Erforschung z.B. von Galaxien, schwarzen Löchern und dunkler Materie Ort: Paranal (Chile) und La Palma (Spanien) Projekt: > 1.500 Wissenschaftler aus 31 Ländern Beteiligtes Helmholtz-Zentrum: DESY 8. 3. 2. 4. 2. 1. 6. 6. IceCube Messgerät: Neutrinoteleskop Größe: 5.160 Detektoren in einem 1 km3 großen Volumen Eis Was wird gemessen: Neutrinos aus verschiedenen kosmischen Quellen, wie schwarzen Löchern und Supernovae Bau: 2004–2010 Ort: geografischer Südpol (Antarktis) Projekt: 300 Wissenschaftler aus zwölf Ländern, davon 90 aus Deutschland Beteiligte Helmholtz-Zentren: DESY, KIT IMAGING AIR CHERENKOV TELESCOPES (IACT) Vorläufer des Cherenkov Telescope Array (CTA), mit Beteiligung des DESY 3. MAGIC Größe: zwei Spiegelträger mit je17 m Durchmesser Inbetriebnahme: 2004 Was wird gemessen: hochenerge- tische kosmische Gammastrahlen im Bereich von 30 GeV1 bis 100 TeV2 Ort: La Palma (Spanien) Projekt: 165 Wissenschaftler aus elf Ländern 4. H.E.S.S. Größe: vier Teleskope mit 12 m und ein Teleskop mit 28 m Durchmesser Inbetriebnahme: 2002 Was wird gemessen: hochenerge- tische kosmische Gammastrahlung im Bereich von 30 GeV1 bis 100 TeV2 Ort: Region Khomas (Namibia) Projekt: 260 Wissenschaftler aus 13 Ländern 5. VERITAS Größe: Vier Teleskope mit 12 m Durchmesser Inbetriebnahme: 2007 Was wird gemessen: hochenerge- tische kosmische Gammastrahlung im Bereich von 85 GeV1 bis 30 TeV2 Ort: Arizona (USA) Projekt: 90 Wissenschaftler aus fünf Ländern Neben dieser Auswahl an Anlagen der Hochenergie-Astroteilchenphysik gibt es zahlreiche Experimente im Nieder- energiebereich zur Suche nach dunkler Materie oder zum Studium von Neutrinos. Beispielsweise beteiligt sich Helmholtz teils federführend an den internationalen Experimenten KATRIN, ALPS, MADMAX, IAXO, XENON und DARWIN. 1 Gigaelektronenvolt 2 Teraelektronenvolt 6 Helmholtz Perspektiven 01/2020

HELMHOLTZ extrem Der größte Organismus F O R S C H U N G Gut vernetzt Pilze bilden unterirdisch ein Netzwerk und leben in Symbiose mit ihrer Umgebung wie hier mit einer Eichenwurzel (braun). Bild: UFZ/Sylvie Herrmann Die Vielfalt von Pilzen ist erstaunlich: Sie landen als Trüﬀel auf unserem Teller, sorgen in Form winziger Hefezellen dafür, dass der Teig aufgeht, oder können bei giftigen Vertretern auch schnell die letzte Mahlzeit gewesen sein. Sie bilden neben Tieren und Pﬂanzen das dritte Reich der soge- nannten eukaryotischen Lebewesen. Die etwa fünf Millionen Pilzarten sind überall zu ﬁnden. Was man oberhalb des Waldbodens sieht, sind nur ihre Fruchtkörper. Unterhalb der Erdoberﬂäche bilden manche Pilzsorten allerdings ein Netzwerk unge- ahnten Ausmaßes. Ein Hallimasch in Oregon gilt sogar als der größte Organismus der Welt: Das Netzwerk dieses Pilzes erstreckt sich über eine Fläche von neun Quadratkilometern – das sind rund 1.200 Fußball- felder. Forscher schätzen, dass der Riesenpilz bis zu 8.500 Jahre alt und 400.000 Kilogramm schwer sein könnte. Das Netzwerk solcher Pilze besteht aus dünnen Pilzfäden, dem sogenannten Myzel. Es verbindet die Pilze mit anderen Lebewesen und Bo- denbereichen und ermöglicht es ihnen, lebensnot- wendige Stoﬀe auszutauschen. Pilze sind sesshaft und betreiben keine Photosynthese. Deshalb sind sie selbst nicht in der Lage, Energie zu produzie- ren, sondern holen sich diese, indem sie Streu und Totholz abbauen oder auf Pﬂanzen, Tieren oder sogar anderen Pilzen als Parasit leben. Auch gehen viele von ihnen Symbiosen mit Pﬂanzen- wurzeln ein. Das Myzel liefert dabei Stickstoﬀ und Phosphor für das Pﬂanzenwachstum, im Gegenzug bekommen Pilze Zucker aus der Photosynthese. Pilzforscher wie der Bodenökologe François Buscot vom Helmholtz-Zentrum für Umweltfor- schung – UFZ ergründen die Vielfalt und Funk- tionen der Myzelien. Sie sind sich sicher: Die Waldbewohner tauschen nicht nur Nährstoﬀe, sondern auch Botschaften aus und betreiben so eine Art der Kommunikation. Über bestimmte Stoﬀe senden und empfangen sie Informationen über dieses Netzwerk – beispielsweise über die Bodenbeschaﬀenheit, die Wasserversorgung oder gar darüber, ob Schädlinge oder Fressfeinde in der Nähe sind. So ist das gesponnene Netzwerk nicht nur für die Pilze, sondern auch für den Wald und dessen Bewohner überlebenswichtig.  Christin Liedtke www ONLINE Alle Ausgaben von HELMHOLTZ extrem unter: www.helmholtz.de/ extrem Helmholtz Perspektiven 01/2020 7

T I T E LT H E M A Natürlich freut sich Dirk Heinz über die Briefe und Mails, die massenhaft am Helmholtz-Zentrum für Infektions- forschung (HZI) in Braunschweig eingegangen sind: Stolz klingt aus ihnen heraus, der Stolz vieler Bürger, dass es in ihrer Region ein solches Forschungszentrum gibt. Dirk Heinz ist der wissenschaftliche Geschäftsführer des HZI, und er schiebt gleich eine Einschränkung hinter- her: Solche Zuschriften dürften die Wissenschaft natürlich nicht dazu verführen, die eigene Rolle zu überschätzen. „Die Arbeit der Forscher muss absolut seriös sein, an Spekulationen dürfen wir uns nicht beteiligen.“ Es ist ein schwieriger Spagat, den Dirk Heinz beschreibt: Wohl selten waren die Erwartungen und die Hoﬀnungen an Wissenschaftler so gewal- tig wie während der Corona-Pandemie. Ohne die Forschung, ohne die wissenschaftlichen Einrich- tungen wird es kein Medikament und keinen Impfstoﬀ geben – das ist allen klar. „Die gesellschaftliche Anerkennung für die Wis- senschaft hat in den vergangenen 20, 30 Jahren etwas nachgelassen“, sagt Armin Grunwald und stellt fest: „Jetzt wird sie wieder stärker.“ Der Physiker und Philosoph leitet das Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) am Karlsruher Institut für Technologie; seit Jahrzehnten schon beschäftigt er sich mit den Wechselwirkungen von Technik, Forschung und Gesellschaft. Seine Prognose: Die Corona-Krise wird innerhalb dieses Beziehungsdreiecks spür- bare Folgen hinterlassen. Erstens sei die Situation akut: „Beim Klimawandel wissen die Politiker, dass das Problem zu ihren Lebzeiten nicht seinen Höhe- punkt erreicht – da erhöht man eben die Deiche ein wenig, den Rest überlässt man der nächsten Generation. Aber das Corona-Virus ist ein ganz neuer Problemtypus.“ So wenig sinnvoll das Verschieben ist, wenn es um die Klimakrise geht – bei der Pandemie ist es schlicht nicht möglich. Sie erfordert eine sofortige Reaktion, und jeder Fehler rächt sich umgehend. Was bedeutet das für die Wissenschaft? „Wichtig ist, dass wir hier genauso interdisziplinär arbeiten, wie wir das auf so vielen verschiedenen anderen Feldern auch tun. Es reicht nicht, die Virologen zu hören – wir brauchen jetzt auch Sozialwissenschaftler, Verhaltenspsycho- logen, Ökonomen und viele andere“, sagt Armin Grunwald. Zweitens: Die Gesellschaft muss es aushal- ten, dass die Wissenschaftler kein Patentrezept liefern können – und auch, dass aus der Wissen- schaft teils gegenläuﬁge Stellungnahmen und Vorschläge kommen. „Bei uns in der Technik- folgenabschätzung bezeichnen wir das als Expertendilemma.“ Die Erklärung dafür liege in der Art, wie Forschung funktioniere: „Unser Wissen schlägt sich in Lehrbüchern nieder, dabei handelt es sich um stabiles Wissen – aber aus der Vergangenheit. Wir ziehen Schlüsse aus Gescheh- nissen und Beobachtungen, die hinter uns liegen. Wissenschaftler sind im Grunde in erster Linie Experten für die Vergangenheit.“ Laut Armin Grunwald stelle die Corona-Pandemie eine völlig neuartige Situation dar – die Wissenschaft wird die vielen Fragen, die sich stellen, deshalb erst in Monaten oder Jahren sicher beantworten können. Welche Wissenschaftler aber ﬁnden Gehör – sind es immer nur die mit den schillerndsten Thesen? 1 0 Helmholtz Perspektiven 01/2020 „Wichtig ist, dass wir hier interdisziplinär arbeiten. Es reicht nicht, die Virologen zu hören.“ Armin Grunwald, ITAS

Besuch am HZI Dirk Heinz, wissenschaftlicher Geschäftsführer des HZI (Zweiter von rechts) und Virologin Melanie Brinkmann (rechts) führten Bundesforschungsministerin Anja Karliczek über das Gelände. Bild: HZI/Verena Meier eben auch, dass das Digitale nur ein Ersatz ist. Bei manchen Dingen funktioniert es gut, bei anderen ist es erbärmlich.“ Eine Helmholtz-Forscherin, die sich intensiv mit den gesellschaftlichen Auswirkungen der Corona-Krise beschäftigt, ist Katrin Amunts. Die Hirnforscherin vom Forschungszentrum Jülich war bis zum Auslaufen ihrer zweiten Amtszeit im April die stellvertretende Vorsitzende des Deutschen Ethikrats. Unter anderem beschäftigt sie die Frage, was die Unsicherheit mit den Men- schen macht. Denn die Prognosen, wie lange die Krise anhalten wird, unterscheiden sich stark – die Spannweite reicht von einigen Monaten bis zu mehreren Jahren. Wird die Corona-Pandemie In der Corona-Zeit habe die Digitali- sierung indes ihre gewaltigen Vorteile gezeigt – „auf einmal geht vieles, was vorher jahrelang nicht ging“. Und schließlich, sagt er, dränge sich ihm die Parallele zu einer Untersuchung auf, die er unlängst als Leiter des Büros für Technikfolgenab- schätzung beim Deutschen Bundestag verantwor- tet hatte: Was passiert, so lautete die Fragestellung für das Szenario, wenn es in Deutschland zu einem längeren Stromausfall käme? „Die Folgen wären verheerend, weil so viele Bereiche des Le- bens auf Technik, auf digitale Steuerung angewie- sen sind – und die ﬁelen komplett aus.“ Da sieht er eine Parallele zur derzeitigen Corona-Situation. Man habe „zu wenige Pläne B“, kritisiert er: „Wir sind eine Gesellschaft, die von der Hand in den Mund lebt. Wenn man Hunger hat, geht man etwas einkaufen, während früher eine Speisekammer selbstverständlich war. Was mich wundert, ist nur, dass das oﬀenbar auch für die Wirtschaft gilt: dass schon nach wenigen Wochen bei vielen Unterneh- men keinerlei Puﬀer mehr da ist.“ In der Corona-Zeit habe die Digitalisie- rung indes ihre gewaltigen Vorteile gezeigt – „auf einmal geht vieles, was vorher jahrelang nicht ging“, sagt er mit Blick auf Homeoﬃce und schuli- sche Lehre. Einige dieser Dinge würden ohne Frage bleiben, wenn die Pandemie vorbei ist. „Aber wir erkennen Helmholtz Perspektiven 01/2020 1 1

T I T E LT H E M A www ONLINE Wie der Lockdown einzigartige Messun- gen zur Atmosphäre ermöglicht: www.helmholtz.de/ atmosphaere unsere Gesellschaft verändern? „Den Eindruck habe ich persönlich schon“, sagt Katrin Amunts, „und nehme auch wahr, dass es vielen so geht.“ Die Verwundbarkeit der Lebensweise werde oﬀengelegt, aber die Krise könnte auch die Chance in sich tragen, das Land und die Gesellschaft zu stärken. „Wir werden wissen, was wir gemeinsam durchstehen können“, glaubt sie. Katrin Amunts war federführend dabei, als der Ethikrat Ende März eine Ad-hoc-Empfehlung mit dem Titel „Solidarität und Verantwortung in der Corona-Krise“ veröﬀentlichte. Auf Initiative der Politik: Der Bundesgesundheitsminister hatte den Rat um eine Einschätzung zur Pandemie und den gesellschaftlichen Folgen gebeten. Zwei Dutzend hochkarätige Experten gehören dem Ethikrat an, sie stammen unter anderem aus den Bereichen Philosophie, Jura, Theologie und natürlich Medizin. Er erarbeitet Stellungnahmen und Empfehlungen zu ganz unterschiedlichen Themen. Und: Wurde hinter den Kulissen heftig gestritten, wie mit Corona umzugehen sei? „Die Perspektiven der Ratsmitglieder unterscheiden sich natürlich, und es wird mitunter kontrovers diskutiert“, sagt Kat- rin Amunts diplomatisch. Das Papier des Ethikrats gibt Orientierungspunkte für den Kampf gegen Corona – und bezieht konkret auch die Wissen- schaft mit ein. Die „Unterstützung von interdiszi- plinärer Forschung zu sozialen, psychologischen und anderen Eﬀekten“ wird ausdrücklich gefor- dert. Und die Autoren zeigen auch die Grenzen der Wissenschaft auf: „Es widerspräche dem Grund- gedanken demokratischer Legitimation, politische Entscheidungen an die Wissenschaft zu delegieren und von ihr eindeutige Handlungsanweisungen für das politische System zu verlangen“, heißt es dort: „Gerade schmerzhafte Entscheidungen müs- sen von den Organen getroﬀen werden, die hierfür durch das Volk mandatiert sind.“ „Forscher müssen sicherstellen, dass ihre Kommunikation auf Fakten basiert. Mit politischen Folgerungen sollten sie sich zurückhalten.“ Dirk Heinz vom HZI in Braunschweig hat klare Vorstellungen davon, was die Wissenschaft in der Krise leisten kann – und was sie nicht leisten darf. Sein erster Punkt: „Forscher müssen sicherstellen, Unterm Mikroskop Unter strengen Sicherheitsvorkehrungen untersucht eine HZI-Forscherin eine mit SARS-CoV-2 inﬁzierte Zellkultur (grün ﬂuoreszierend). Bild: HZI/Susanne Talay 1 2 Helmholtz Perspektiven 01/2020

Auswirkungen Hirnforscherin Katrin Amunts vom FZ Jülich beschäftigt die Frage, was die Unsicherheit mit den Menschen macht. Bild: FZ Jülich/Sascha Kreklau dass ihre Kommunikation auf Fakten basiert. Mit politischen Folgerungen sollten sie sich zu- rückhalten.“ Dass also beispielsweise die Lockerung von Corona-Maßnahmen verfrüht sei, gehöre zu jenen Urteilen, die der Politik zustünden und nicht den Fachwissenschaftlern. Zu ähnlicher Zurückhaltung rät er im Kon- takt mit Politikern: „Da sollten wir nicht Verspre- chungen machen, die die Forschung nicht halten kann“, sagt er – und bringt es auf die englische Formel: „Underpromise and overdeliver!“ Wie aber lässt sich mit dem gewaltigen Erwartungsdruck umgehen, möglichst schnell ein Medikament oder gar einen Impfstoﬀ zu entwickeln? Die hohe Geschwindigkeit schließlich steht im Gegensatz zu den obersten wissenschaftlichen Prinzipien, die mit sorgfältiger Prüfung und nachvollziehbarer Datensammlung zu tun haben. Nein, sagt Dirk Heinz, an diesen Prinzipien dürfe nicht gerüttelt werden, um schnellere Ergebnisse zu erzielen. Hilfreich sei etwas anderes: Dass derzeit Arbeits- gruppen aus aller Welt so eng zusammenarbeiten, dass sich selbst die Teams konkurrierender Phar- maﬁrmen kurzschlössen – das sei das Rezept, um unter Einhaltung sämtlicher wissenschaftlicher Standards zu einem raschen Ergebnis zu kom- men. „Die vielen parallelen Aktivitäten können den Erkenntnisgewinn rasant beschleunigen“, so formuliert er es. Und ganz nebenbei könnten die Erfahrungen aus dieser Phase dazu beitragen, dem Open-Access-Prinzip zum Durchbruch zu verhelfen. „Wir haben vergessen, dass wir anfällig sind für Viren und Infektio- nen, weil sie dank der medizinischen Fortschritte keine gravierende Rolle mehr gespielt haben.“ Mit Blick auf die langfristigen Auswirkungen von Corona auf die Wissenschaft sind sich Dirk Heinz, der Strukturbiologe, und der Technikfolgen- Spezialist Armin Grunwald absolut einig: „Wir haben vergessen, dass wir anfällig sind für Viren und Infektionen, weil sie dank der medizinischen Fortschritte im 20. Jahrhundert in der westlichen Welt keine gravierende Rolle mehr gespielt haben“, schlussfolgert Dirk Heinz und sagt eine Renaissance der Infektionsforschung voraus. Armin Grunwald geht noch einen Schritt weiter: „Wir erleben gerade hautnah, wie entscheidend Vorsorgeforschung ist. Man kann viele entschei- dende Fragestellungen künftig nicht mehr bequem verdrängen nach dem Motto: ‚Das wird uns schon nicht passieren!‘“ Diese Erfahrung werde die Forschungspolitik der kommenden Jahre nach- haltig prägen.  Kilian Kirchgeßner Aktuelle Forschung, Zahlen und Fakten www.helmholtz.de/ corona

T I T E LT H E M A C rona: Woran aktuell geforscht wird Helmholtz hat einen Teil seiner Forschung auf SARS-CoV-2 fokussiert und arbeitet eng mit Partner- institutionen zusammen. Die Datenlage und der Wissensstand ändern sich rasant. Aber: Sich ständig neuen Erkenntnissen anzupassen gehört zur wissenschaftlichen Arbeit dazu. Ein Überblick. SARS-CoV-2 neg WIRKSTOFFE Wo liegen potenzielle Schwachstellen des Virus? x pos Um ein wirksames Medikament zu ﬁnden, muss man wissen, wie sich das Virus vermehrt und wo mögliche Schwachstellen liegen. Vielversprechend könnten vor allem Wirkstoﬀe sein, die aus der Bekämpfung anderer (Virus-)Erkrankungen bereits bekannt sind. Ihr Vorteil: Ihre Verträglichkeit wurde in klini- schen Studien bereits belegt. Zahlreiche Projekte an mehreren Helmholtz-Zentren fokus- sieren sich auf die Entwicklung von Wirkstoﬀen. Sie testen viele bereits existierende Moleküle auf ihre Wirksamkeit gegen das Virus oder versuchen, neuartige Wirkstoﬀe zu ﬁnden. Dazu untersuchen sie beispielsweise, welche Proteine, Signalwege und molekularen Strukturen das Virus im menschlichen Körper ausnutzt und umprogrammiert. Forscher des Max-Delbrück- Centrums (MDC) untersuchen beispielsweise nicht nur, wie sich SARS-CoV-2 genetisch verändert, sondern auch welche Zelltypen sich inﬁzieren, wie verschiedene Zellen auf die Infek- tion oder die Behandlung reagieren und welche Moleküle dafür wichtig sind. Das sind nur einige Beispiele, wie Helmholtz- Forscher versuchen, Eintrittspforten und potenzielle Schwach- stellen des Virus zu identiﬁzieren. Dafür setzen sie auch Metho- den der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens ein oder nutzen Supercomputer für virtuelle Screenings von Wirkstoﬀen wie beispielsweise das Forschungszentrum Jülich. Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin konnten mithilfe des Teilchenbeschleunigers Bessy II die 3-D-Struktur der so- genannten Hauptprotease des Virus entschlüsseln – eines wichtigen Enzyms für die Virusvermehrung. Nun werden Hun- derte kleine Molekülsubstanzen darauf getestet, ob sie an die Hauptprotease andocken können. Am Deutschen Elektronen- Synchrotron DESY wurde mithilfe des Teilchenbeschleunigers Petra III bei mehr als 7.000 bekannten Wirkstoﬀen untersucht, ob und wie sie an das Schlüsselenzym binden. IMPFSTOFFE Wie kann ein Impfstoﬀ entwickelt werden? Eine Impfung täuscht dem Körper vor, er sei mit einem Erreger wie SARS-CoV-2 inﬁziert. Daraufhin bildet das Immunsystem speziﬁsch Antikörper: Inﬁziert man sich tatsächlich, wird der Erreger bekämpft und die Erkrankung idealerweise abgewehrt. Für die Entwicklung eines Impfstoﬀs gibt es verschiedene Ansätze: Man kann dem Körper Virusfragmente verabreichen, sodass das Immunsystem lernt, wie bestimmte Oberﬂächen- moleküle des Virus aussehen. Relativ neu ist, dafür Nuklein- säuren des Virus zu nutzen. DNA oder RNA wird im Körper in Proteine übersetzt, die die Immunantwort auslösen. Die Impfstoﬀentwicklung läuft weltweit auf Hochtouren. Eine Zu- lassung erfolgt aber erst, wenn Impfschutz, Sicherheit und Nebenwirkungen genau geprüft wurden. Zahlreiche Helmholtz-Zentren arbeiten an Impfstoﬀkandidaten. Dazu untersuchen sie, wie das Immunsystem des menschlichen Körpers auf SARS-CoV-2 reagiert. Am Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI) beruht ein Ansatz darauf, einen Impfstoﬀ zu entwickeln, der über die Schleimhäute verabreicht werden kann. Bei SARS- und MERS-CoV konnten neutralisie- rende Antikörper gegen ein Protein, das für alle Coronaviren essenziell ist, stimuliert und so eine Infektion verhindert wer- den. Wäre dieses Vorgehen auch bei SARS-CoV-2 erfolgreich, wären möglicherweise weite Teile der Bevölkerung auch gegen andere Coronaviren geschützt. Bei einem anderen Ansatz iso- lieren Forscher monoklonale Antikörper aus den sogenannten B-Gedächtniszellen von Patienten, die eine Infektion überstan- den haben. Diese werden auf die Bindung und Neutralisation des Virus getestet und aussichtsreiche Kandidaten schnellst- möglich in klinische Tests überführt. Forscher des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenfor- schung nutzen übrigens hochenergetische Schwerionen, um Viren abzutöten. Im Vergleich zu anderen Methoden bleibt dabei die für gehend ßend die Immunantwort entscheidende Virushülle weit- intakt. Die abgetöteten Viren werden anschlie- für die Entwicklung neuer Impfstoﬀe genutzt. 1 4 1 4 Helmholtz Perspektiven 01/2020

RISIKOGRUPPEN KLIMA, REISEN & CO. Welche Personen haben ein erhöhtes Risiko? Was wird in anderen Bereichen geforscht? Der Krebsinformationsdienst des Deutschen Krebsforschungs- zentrums (DKFZ) und der Lungeninformationsdienst des Helmholtz Zentrums München (HMGU) beantworten Fragen von Krebspatienten oder Personen mit Vorerkrankungen der Lunge sowie deren Angehörigen. Zudem erteilt der Allergie- informationsdienst Auskünfte für Menschen mit Allergien und Asthma. Menschen mit Diabetes können sich an das nationale Diabetesinformationsportal diabinfo wenden. Weltweit wird versucht, Risikofaktoren für eine Virusinfektion und schwere Krankheitsverläufe zu identiﬁzieren. Beispiels- weise konnten HMGU-Forscher mithilfe von Data-Science-Me- thoden eine molekulare Erklärung dafür ﬁnden, warum Raucher, Männer und ältere Menschen ein erhöhtes Risiko hierfür haben, und untersuchen mögliche Komplikationen bei Patienten mit Diabetes sowie chronischen Lungenerkrankungen. Der Lockdown sorgte durch weniger Verkehr und Industrie- aktivität für den stärksten Rückgang von Treibhausgasemis- sionen seit rund 60 Jahren. Doch erste Auswertungen von Helmholtz-Forschern zeigen, dass der Shutdown die CO2- Konzentrationen in der Atmosphäre nur unbedeutend senkt. Die klare Luft ließallerdings mehr Licht zu den Photovoltaik- anlagen dringen, sodass diese mehr Strom erzeugten – das zeigten Forscher des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg. Forscher des Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrums ermitteln, wie Luftströme in Flugzeugen und Zügen verlaufen. So lassen sich Rückschlüsse ziehen, wie sich Atemwolken von Passagieren während der Reise verteilen. ANTIKÖRPER AUSBREITUNG Wie groß ist die Immunität in der Bevölkerung? Wie hat sich das Virus in der Bevölkerung verbreitet? Die oﬃziellen Meldezahlen spiegeln nur einen Teil der tatsäch- lichen SARS-CoV-2-Infektionen wider, da nicht jeder Inﬁzierte so starke Symptome entwickelt, dass er zum Arzt geht. Zu Beginn der ersten Fälle in Deutschland haben Forscher des HZI und des Forschungszentrums Jülich modelliert, wie stark sich das Virus ausbreiten könnte – und dabei verschiedene Maßnahmen zur Kontaktbeschränkung einberechnet. In der jetzigen Lage ist ein gutes Monitoring notwendig, um Infektionsketten frühzeitig zu unterbrechen. Das CISPA – Helmholtz-Zentrum für Informationssicherheit unterstützte die Entwicklung der Corona-Warn-App. Sie informiert, wenn man Kontakt mit inﬁzierten Personen hatte. Das Tool SORMAS des HZI hilft Gesundheitsämtern, das datenaufwendige Management von Kontaktpersonen bestätigter Infektionsfälle konsequent zu bewältigen und Maßnahmen zu koordinieren. Da relevante Mengen an Virusmaterial auch in Ausscheidungen zu ﬁnden sind, untersuchen Forscher des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung bundesweit Abwasserproben, um Rück- schlüsse auf mögliche Infektionsherde zu ziehen. Einen aktuellen Überblick über die Ausbreitung des Virus bieten Datenanalysen und virtuelle Karten des Karlsruher Instituts für Technologie und des MDC. Groß angelegte Studien sind notwendig, um den Verlauf und die Schwere der Pandemie genauer abschätzen und die Immunität innerhalb der Bevölkerung bewerten zu können. In Bevölkerungsstudien des HZI und des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen wird das Blut Tau- sender Spender regelmäßig auf Antikörper analysiert. Dabei wird auch die Verbreitung des Virus in besonders betroﬀenen Gebieten sowie die Anfälligkeit von Kindern untersucht. Das Helmholtz Zentrum München ermittelt den Infektions- und Antikörperstatus bei rund 3.000 Münchener Haushalten. Das HZI, das DKFZ und das MDC verbessern die Diagnostik in diesem Bereich. Sie arbeiten an Tests, mit denen sich die Infektionsanfälligkeit und die Dauer der Immunantwort besser beurteilen lassen. Neue Erkenntnisse über die Verbreitung, Immuni- tät sowie langfristige gesundheit- liche Auswirkungen von SARS- CoV-2 in ganz Deutschland sollen im Rahmen der etablierten NAKO- Gesundheitsstudie, an der mehr als 200.000 Menschen teilnehmen, gewonnen werden. Aktuelle Forschung, Zahlen und Fakten www.helmholtz.de/ corona

F O R S C H U N G HELMHOLTZ kompakt Folgenreich Nutzt eine Schwangere Kosmetika, die Parabene enthalten, könnte ihr Nachwuchs später Übergewicht entwickeln. Bild: Shutterstock/Syda Productions Übergewicht durch parabenhaltige Kosmetika Parabene sind chemische Verbindungen, die in vielen Cremes, Lotionen und Duschgels als Konservierungsmittel eingesetzt werden. Was die Kosmetika vor Keimen schützt, kann aller- dings bedenkliche Nebeneﬀ ekte haben: „Nehmen Schwangere Parabene über die Haut auf, kann dies zu Übergewicht bei ihren Kindern führen“, sagt der Umweltimmunologe Tobias Polte vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ. Besonders betroﬀ en von diesem Eﬀ ekt seien Töchter. Ausgangspunkt der Untersuchungen war die Langzeit-Mutter-Kind-Studie LINA; in ihr wird die Bedeutung von Umweltbelastungen in sensiblen kindlichen Entwicklungsphasen erforscht. In weiteren Untersu- chungen an Mäusen wiesen die UFZ-Forscher gemeinsam mit Kollegen der Universität Leipzig, der Charité und dem Berlin Institute of Health nach, dass Parabene bei den Nachkommen epigenetische Veränderungen hervorrufen. Bei den Betroﬀ enen wird ein Gen, das das Hungergefühl im Gehirn steuert, stark heruntergeregelt. Die Folge: Das natürliche Sättigungsgefühl gerät aus dem Takt, der Nachwuchs isst mehr und das Risiko für Übergewicht steigt. Wie stabil diese epigenetischen Verän- derungen sind und ob sie weitervererbt werden, können die Forscher bislang noch nicht sagen. Jedoch geben sie eine klare Empfehlung: Werdende Mütter sollten während der sensiblen Phasen von Schwangerschaft und Stillzeit unbedingt auf para- benfreie Produkte zurückgreifen. Publikation: doi: 10.1038/s41467-019-14202-1 1 6 Helmholtz Perspektiven 01/2020

Wird das Rätsel um das lang verschollene Observatorium jetzt gelöst? Rund ein halbes Jahr war es unauﬃ ndbar. Ende Februar hat ein Wracksuchschiﬀ zumindest einen Teil des Boknis-Eck-Unter- wasserobservatoriums geortet und geborgen. Bis zu seinem Verschwinden im August 2019 hatte es in der Eckernförder Bucht Umweltdaten am Meeresboden erhoben, die Rückschlüsse auf den Zustand des Ökosystems der südwestlichen Ostsee zu- lassen. Dann brach der Kontakt ab. Das Oberservatorium galt als verschollen – bis jetzt. „Das Gestell ist zwar in verhältnismäßig gutem Zustand. Aber die Sensoren sind stark beschädigt oder fehlen ganz“, sagt Hermann Bange vom GEOMAR Helmholtz- Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Wie das nun geborgene Gestell zur Fundposition gelangte, bleibt bislang ebenso unklar wie der Verbleib des zweiten Gestells. Geborgen Das mit Sensoren bestückte Gestell des Observatoriums lag etwa 200 Meter vom Ursprungsort entfernt in 20 Metern Tiefe kopfüber auf dem Meeresboden. Schlechte Sicht erschwerte die Suche. Bild: GEOMAR/Martin Steen Der Mars bebt wie die Schwäbische Alb Höhere Bildung – weniger Bewegung Der Mars ist ein seismisch aktiver Planet und bebt mehrmals täglich. Insgesamt 174 seismische Ereignisse hat die Marssonde InSight von Februar bis September 2019 aufgezeichnet. Dabei wurden etwa 20 vergleichsweise leichte Beben der Stärke 3 bis 4 gemessen, wie sie auf der Erde etwa am Südrand der Schwä- bischen Alb gelegentlich auftreten. „Wir sehen auf dem Mars bisher eine seismische Aktivität, die deutlich stärker ist als die des Mondes. Wie viel stärker sie tatsächlich ist und ob es auch stärkere Marsbeben als solche der Magnitude 4 gibt, wird sich im weiteren Verlauf der Mission noch herausstellen“, sagt Martin Knapmeyer vom DLR-Institut für Planetenforschung, der an der Datenauswertung beteiligt ist. Neue Erkenntnisse gibt es bereits jetzt zum inneren Aufbau des Planeten: „Ähnlich wie auf dem Mond scheint die Kruste bis in eine Tiefe von einigen Kilometern stark zerrüttet zu sein – dennoch ähneln die seismischen Signale mehr denen, die wir auf der Erde registrieren, als denen, die wir vom Mond kennen. Vieles muss also noch verstanden werden“, sagt der Geophysiker. Die Mission wird noch mindestens bis Ende 2020 fortgeführt und liefert kontinuierlich weitere Daten. Publikation: doi: 10.1038/s41561-020-0544-y Empﬁ ndlich Das Seismometer SEIS registriert auch kleinste Bewegungen im Marsboden und besteht aus insgesamt sechs Sensoren. Bild: IPGP/N. Sarter Ungesund Menschen mit höherem Bildungsgrad bewegen sich im Schnitt weniger, da sie vermehrt im Sitzen arbeiten. Bild: Pixabay Bewegung ist gesund. Das ist bekannt und gut belegt. Doch wie beeinﬂ ussen Faktoren wie Alter, Geschlecht oder Bildung, wie viel Menschen sich bewegen? Forscher vom Max-Delbrück- Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC) werteten nun die Daten von etwa 250 Personen aus, die zwei Wochen lang ein Aktivitätsmessgerät trugen. Die Bewe- gungsproﬁ le stammten aus einem Vortest der NAKO Gesund- heitsstudie, einer Langzeitstudie mit rund 200.000 Probanden. „Einige unserer Ergebnisse waren natürlich zu erwarten gewe- sen, etwa eine Abnahme intensiver Aktivitäten mit steigendem Alter“, sagt MDC-Forscherin Lina Jaeschke. Weitere Erkenntnisse: Raucher verbrachten weniger Zeit in intensiver Aktivität, aber mehr Zeit in leichter Aktivität als Nichtraucher. Ein höherer Body-Mass-Index geht im Durchschnitt mit weniger Aktivität ein- her. Überraschend war, dass sich Menschen mit einem höheren Bildungsgrad weniger bewegten. Bislang zeigten Studien, dass die körperliche Aktivität mit dem Bildungsgrad zunimmt. Eine mögliche Ursache sehen die Forscher darin, dass gut gebildete Menschen häuﬁ ger Berufe ausüben, in denen sie viel sitzen. Publikation: doi: 10.1038/s41598-020-57648-w Helmholtz Perspektiven 01/2020 1 7

F O R S C H U N G Druckbare Lichtsensoren erkennen Farben Kavli-Preis für Nanowissenschaften Kameras, Lichtschranken und Bewegungsmelder verbindet eines: Sie nutzen Lichtsensoren. Auch bei der Kommunikation könnten diese Sensoren eine wichtige Rolle spielen, indem sie die Daten- übertragung mittels Licht ermöglichen und so eine Alternative zu WLAN oder Bluetooth bieten. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeiten für die Entwicklung solcher Sensoren nun mit Halbleitermaterialien. Das Besondere: Sie reagieren auf unterschiedliche Wellenlängen und können somit Farben unterscheiden. Zudem lassen sie sich wie Drucker- tinte auf einen Träger aufdrucken. „Diese Fotosensoren können in großen Stückzahlen in jedem Design auf ﬂ exiblen, leichten Materialien hergestellt werden. Daher sind sie besonders für mobile Geräte geeignet“, sagt KIT-Forscher Noah Strobel. Maximilian Haider vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Knut Urban vom Forschungszentrum Jülich erhalten den mit einer Million Euro dotierten Kavli-Preis für Nanowissen- schaften gemeinsam mit ihren Kollegen Harald Rose und Ondrej Krivanek. Die Forscher bauten in den 1990er-Jahren das welt- weit erste Elektronenmikroskop mit aberrationskorrigierten Linsen. Sie gelten als Wegbereiter heutiger Elektronenmikros- kope, die ein Auﬂ ösungsvermögen von etwa einem Milliardstel eines Zentimeters besitzen. Mit ihnen lassen sich Materialien für bessere Datenspeicher und Prozessoren, die Eigenschaften von Höchstleistungswerkstoﬀ en für Brennstoﬀ zellen, Batterien oder Solarzellen, aber auch die Funktion biologischer Makro- moleküle mit atomarer Auﬂ ösung untersuchen.  Publikation: doi: 10.1038/s41467-019-14202-1 Annette Doerfel, Martin Trinkaus und Julika Witte Anzeige EXPERIMENTIERBROSCHÜRE FÜR KINDER, JUGENDLICHE UND LEHRKRÄFTE FÜR KINDER, JUGENDLICHE UND LEHRKRÄFTE DIE CORONA-WARN-APP: HILFT. WENN DU • bietet viele einfache und spannende Versuche zum Experimentieren aus unterschiedlichen wissenschaftlichen Bereichen • spielerische Erklärung von Fachbegriﬀen wie Dichte, Enzym oder Bionik • ideales Unterrichtsmaterial für Lehrkräfte, um Schüler zu motivieren, selber zu experimentieren • Beispiele: „Lochkamera zum Selberbauen“, „Blubber- spaß mit Lavalampen“ oder „Elektrisch leitfähige Knete“ Netzwerk schülerlabore Netzwerk schülerlabore in der helmholtz-Gemeinschaft in der helmholtz-Gemeinschaft MITMACHST. Jetzt die Corona-Warn-App herunterladen und Corona gemeinsam bekämpfen. Die Broschüre gibt es zum Download unter: www.helmholtz.de/ experimente www.helmholtz.de/schuelerlabore

Nachgefragt: F O R S C H U N G „Wann Polt sich das Erdmagnetfeld um?“ Instabil? Das durch Strömungen im Erdkern hervorgerufene Magnetfeld wird zunehmend schwächer. Bild: NASA's Goddard Space Flight Center/Duberstein Die Erde ist von einem Magnetfeld umgeben. Wie ein Schutzschild hält es Strahlung aus dem Weltall ab. Monika Korte, Expertin für Geomagnetismus vom Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, beschreibt, wie sich dieser Schutzschild verändert. Das Erdmagnetfeld ist ständig in Bewe- gung. Zum größten Teil entsteht es aus dem äußeren Erdkern, der ﬂ üssig und leitfähig ist. Aufgrund der Fließbewegung und der Erdrotation wirken hier Kräfte wie in einem Dynamo und es bilden sich elektrische Ströme. Das Feld hat – wie jeder Magnet, den man sich an den Kühlschrank heftet – zwei Pole, es ist also „dipolar“. Der Nord- und der Südpol des Erdmagnetfelds beﬁ nden sich zwar in der Nähe der geograﬁ schen Pole, stimmen aber nicht mit ihnen überein. Und sie wandern langsam. Im Laufe der Zeit haben der magnetische Nord- und Südpol mehrfach ihre Position getauscht, zuletzt vor rund 780.000 Jahren. Im Durchschnitt ﬁ ndet eine Umpolung alle 500.000 Jahre statt, doch in der gesamten Kreidezeit etwa waren die Pole stabil. Die Analyse von Gesteinen und Ozeansedimenten erlaubt den Blick in die Vergangenheit, denn in ihnen können alte Magnetfeldausrichtungen „eingefroren“ sein: Eine Umpolung ist ein Prozess und dauert Hunderte Jahre, die Pole tauschen also nicht einfach ihre Position. Alles deutet darauf hin, dass das Magnetfeld zunächst schwächer wird und dann womöglich sogar mehrere Pole auftreten, bevor das Feld wieder eine dipolare Struktur aufbaut – mit neuer Polung. Auch zur- zeit nimmt das Magnetfeld deutlich ab, sodass diskutiert wird, ob das der Beginn einer Umkehr sein könnte. Vorhersagen lässt sich das aber nicht. Vieles rund um die sogenannte Feldumkehr ist noch unbekannt: Welche Auswirkungen hatte es etwa auf die Evolution, als das Magnetfeld sehr schwach war und mehr hochenergetische Teilchen in die Erdatmosphäre gelangten? Um Veränderungen besser zu verstehen, brauchen wir mehr Daten, auch aus Vulkan- gestein. Besonders wichtig ist für uns eine genaue zeitliche Einordnung der weltweit gewonnenen Messergebnisse. Nur so können wir regionale Unterschiede in der Ver- gangenheit erkennen. Nachgefragt hat Kristine August www ONLINE Alle Ausgaben von Nachgefragt: www.helmholtz.de/ nachgefragt Helmholtz Perspektiven 01/2020 1 9

Oh Gott! Das geht doch nicht!“ Landwirt Jochen Hartmann erinnert sich genau an seine erste Reaktion an jenem Januartag im Jahr 2017. An seinem Küchentisch hat sie gesessen, eine ganze Gruppe von Fachleuten, die auf ausgewählten Bauernhöfen Methoden testen wollte, um die Artenvielfalt in Agrarlandschaften zu erhalten. Was sie vorschlugen, widersprach vielem, was Jochen Hartmann einst gelernt hatte: Einen zwölf Meter breiten Blühstreifen solle er anlegen, Schafgarbe, Fenchel, Dill und weitere Kräuter, als Futterquelle und Rückzugsort für Tiere. Zwölf Meter Durcheinander, mitten im Feld. Aber der Landwirt ließ sich auf das Experiment ein: „Mir war klargeworden, dass sich etwas ändern muss in der Art, wie wir Landwirtschaft betreiben“, sagt er. Die Ausgangslage ist klar: Die Biodiversität geht zurück, Methan- und Lachgasemissionen aus Viehzucht und Ackerbau treiben die Erderwär- mung an und immer wieder sorgen erschreckende Zustände in der Tierhaltung für Schlagzeilen – dies sind nur drei Aspekte, die die Diskussion um die Zukunft der Landwirtschaft befeuern. Jochen Hartmann wollte nicht nur disku- tieren, sondern etwas tun. Er bewarb sich beim Projekt F.R.A.N.Z. (Für Ressourcen, Agrarwirt- schaft & Naturschutz mit Zukunft), zu dem sich von Ministerien über Wissenschaftler und Umweltschutzorganisationen bis zum Bauern- verband viele Initiatoren zusammengeschlossen haben. Landwirt Hartmann mit seinem Hof nahe Lüneburg wurde ausgewählt und bald darauf am Küchentisch beraten. „Bei der Idee mit dem Blüh- streifen habe ich kurz gezögert“, erzählt er, „aber dann zugestimmt.“ Die fehlenden Erträge gleichen die Landwirtschaftliche Rentenbank und das Bundesamt für Naturschutz aus. Heute ist Jochen Hartmann stolz auf den Streifen: Verschiedenste Insekten sind dort zu Hause, Feldlerche und Feld- hase ﬁnden Schutz, die Vielfalt kehrt zurück. „Solche Maßnahmen sind dringend nötig“, sagt Josef Settele vom Helmholtz-Zentrum für Um- weltforschung – UFZ in Halle. Biodiversität und funktionierende Ökosysteme seien grundlegend für die Nahrungsmittelversorgung. „Das beginnt bei Bestäubern, ohne die es keine Früchte gibt, und geht bis zu Lebewesen, die Schädlinge fressen oder den Boden locker und fruchtbar halten.“ Bezogen auf Deutschland sorgt er sich besonders ums Grünland – der Begriﬀ umfasst Wiesen im weitesten Sinne. Seit 1991 sind mehr als 600.000 Hektar umgebrochen worden, meist zu Ackerland, das sind mehr als zehn Prozent. „Die verbleiben- Allseits lohnend Jochen Hartmann erklärt, wie Blühstreifen und Rückzugsinseln für Vögel mitten auf dem Acker für mehr Artenvielfalt sowie nachhaltige und hohe Erträge sorgen. Bild: Hof Hartmann den Flächen werden oft intensiver bewirtschaftet“, sagt Josef Settele. Es werde häuﬁger gemäht, was Bodenbrütern wie dem Kiebitz zum Verhängnis wird, und es werde mehr gedüngt, sodass sich nur wenige schnell wachsende Gräser durchsetzten. Die einst bunten Wiesen seien verarmt, kaum ein Schmetterling sei noch zu sehen. „Wir stellen überall Artenverlust fest, aber beim Grünland gehen die Kennzahlen so deutlich nach unten wie bei keinem anderen Lebensraum“, sagt der Agrarbiologe. Eine komplette Umstellung auf Biolandbau, der ohne Pestizide und mineralische Dünger arbei- tet, ist seiner Meinung nach aber keine unmittel- bare Lösung. „Für die Biodiversität, für Böden und Gewässer ist er vorteilhaft, aber wir brauchen eine Umstellungsphase, bei der die Landwirte mitgenommen werden.“ Angesichts der rapide landnutzung weltweit davon Landwirtschaft = 5 Mrd. Hektar 37 % 71 % 29 % Globale Landfläche = 13,4 Mrd. Hektar davon Weidefläche = 3,55 Mrd. Hektar davon für Futtermittel = 1,03 Mrd. Hektar davon Anbaufläche = 1,45 Mrd. Hektar 71 % 3,8 % 6,9 % 17,9 % davon zur Bio- energienutzung = 55 Mio. Hektar davon zur stoff- lichen Nutzung = 100 Mio. Hektar davon für Nahrungsmittel = 260 Mio. Hektar Quelle: Umweltbundesamt „Globale Landﬂächen und Biomasse nachhaltig und ressourcenschonend nutzen“ (2013) und European Bioplastics (2019) Helmholtz Perspektiven 01/2020 2 1

F O R S C H U N G Strobel ael h Mic / y a b a x i P : d l i B B i l d : U n i v e r s i t ä t H o h i e n h e m / J a n W i n k l e r Bedarfsgerecht Schweine fühlen sich wohler, wenn sie in der Erde wühlen können. Das natürliche Kratzbedürfnis von Rindern hingegen kann mit sensorgesteuerten, rotierenden Bürsten gestillt werden. wachsenden Weltbevölkerung sei es wichtig, Ertragsstabilität zu erhalten, was zunächst konventionelle Erzeugung unbedingt erforderlich macht. Diese sollte aber auf mehr Nachhaltigkeit ausgerichtet werden, sagt Josef Settele. Besonders leidenschaftlich wird die Frage „bio“ oder „konventionell“ bei der Tierhaltung diskutiert. Hier die glücklichen Kühe auf der Weide, dort die geschundenen Hochleistungs- rinder im Großstall, so das verbreitete Stereotyp. „Die Wirklichkeit sieht oft anders aus“, sagt Eva Gallmann vom Fachgebiet für Tierhaltungssysteme an der Universität Hohenheim. „Da gibt es durch- Bedeutung der freiwilligen Kennzeichnung „Haltungsform“ auf Fleischverpackungen 1 2 3 4 STALLHALTUNG STALLHALTUNG PLUS AUßENKLIMA PREMIUM Hähnchen* 0,04 m2 Schwein Rind 0,75 m2 1,50 m2 0,05 m2 0,83 m2 3,00 m2 0,06 m2 0,08 m2 1,05 m2 1,50 m2 4,00 m2 5,00 m2 kein Auslauf mit Auslauf * Berechnung der Fläche pro Hähnchen: Hähnchengewicht = 1,6 kg Maximalgewicht pro Quadratmeter entspricht:1: 39 kg/m2, 2: 35 kg/m2, 3: 25 kg/m2, 4: 21 kg/m2 1,6 m2 Einzelbett 0,76 m2 Boden einer mobilen WC-Kabine 0,06 m2 DIN-A4-Blatt Quelle: Haltungsform.de und Orange by Handelsblatt 2 2 Helmholtz Perspektiven 01/2020 aus noch Anbindehaltung in Biobetrieben, wo die Kühe nicht durch den Stall laufen können, und in Großanlagen haben Rinder verhältnismäßig mehr Platz zum Laufen und rotierende Bürsten, um sich zu reinigen oder abzulenken.“ Wo sich die Tiere wohler fühlten, sei nicht klar zu beurteilen, sagt die Expertin: „Entscheidend sind die Menschen – ob sie zum Beispiel rasch erkennen, wenn es einem Tier nicht gut geht, und dann handeln.“ Eva Gallmann zufolge lässt sich auch in der konventionellen Haltung mit wenig Aufwand viel für das Tierwohl erreichen. „Bei Schweinen kann man mit etwas Erde dem natürlichen Wühlbedürf- nis nachkommen oder Ruhezonen schaﬀ en, wo sich die Tiere aneinanderkuscheln können.“ Auch ein Auslauf sei sinnvoll. Maßgeblich ist aber nicht nur die Haltungsform, sondern auch die Züch- tung: Laut Milchindustrieverband gibt jede Kuh in Deutschland durchschnittlich 8.059 Kilogramm Milch im Jahr – das ist fast doppelt so viel wie 1984. „Hochleistungskühe haben aber oft Stoﬀ - wechselprobleme oder schmerzende Beine“, sagt Eva Gallmann. Das ändere sich allerdings allmäh- lich: Heute werde in der Zucht wieder mehr auf die körperliche Fitness der Tiere geachtet. Etliche Landwirte verzichten bewusst auf „Turbokühe“ und setzen auf eine schonende Tierhaltung. Doch ausgerechnet die ist fürs Klima schlechter als eine leistungsorientierte. „Wenn man sich die erzeugten Mengen an Milch oder Fleisch anschaut, ist die intensive Haltung weniger klimaschädlich“, sagt Klaus Butterbach-Bahl vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Manche Rinder in Entwicklungsländern hätten eine deut- lich schlechtere Bilanz an Treibhausgasen als ihre Artgenossen in den Großställen der westlichen Welt: Sie brauchen wegen knapper Nahrung viel

„Ideal wäre es, sinnvolle Ansätze von „bio“ und „konventionell“ zu vereinen. So ist eine Landwirtschaft möglich, die mit der Umwelt vereinbar ist und trotzdem hohe und sichere Erträge bringt.“ länger, um zu wachsen oder eine bestimmte Men- ge Milch zu geben; dennoch stoßen sie zeitlebens Methan aus. „Das heißt nicht, dass ich Intensiv- haltung super ﬁ nde, aber diesen Zusammenhang sollte man kennen“, sagt der Biologe. In Deutschland kommen rund sieben Prozent der Treibhausgasemissionen aus der Landwirt- schaft, rund die Hälfte davon aus der Tierhaltung. Maßgeblich ist dabei Methan, das unter anderem aus der Verdauung von Wiederkäuern wie Rindern und Schafen stammt. „Wer etwas fürs Klima tun will, sollte den Fleischkonsum deutlich reduzie- ren und möglichst auf Wiederkäuer verzichten und Schwein oder Geﬂ ügel wählen“, sagt Klaus Butterbach-Bahl. Das zweite Problem neben Methan ist Stickstoﬀ , der über Dünger auf die Felder kommt. Anstelle einer massiven Düngung im Frühjahr, wo noch kaum Pﬂ anzen da sind, empﬁ ehlt der KIT- Forscher, zwei- bis viermal pro Jahr aufs Feld zu fahren und den realen Bedarf zu decken. „Hinzu kommt: Ein Feld ist nicht homogen, über wenige Meter kann sich der Nährstoﬀ gehalt im Boden ändern“, ergänzt er. „Mit Precision Farming, das Daten zur Pﬂ anzengesundheit von Drohnen oder Satelliten nutzt, kann der Landwirt auf den Meter genau passend düngen oder Pﬂ anzenschutzmittel ausbringen – da ist noch großes Potenzial.“ Hoﬀ - nung setzen Forscher auch auf moderne Züch- tungsverfahren, die auf der Genschere CRISPR/ Cas9 basieren. Mit ihnen können Gene gezielt ein- oder ausgeschaltet oder ins Erbgut eingefügt werden. „Die Methode ist preiswert und bereits bei gut 100 Pﬂ anzen zum Einsatz gekommen, etwa bei Bananen, Maniok oder Kartoﬀ eln“, sagt Matin Qaim, Agrarökonom an der Universität Göttingen. Kartoﬀ eln etwa ließen sich so verändern, dass sie gegen Kraut- und Knollenfäule gewappnet seien – Probleme, denen Landwirte üblicherweise mit gro- ßen Mengen an Fungiziden begegnen. „So kann Pﬂ anzengentechnik helfen, den Pestizideinsatz zu verringern, und zur Biodiversität beitragen.“ Dass die Gentechnik umstritten ist, weiß Matin Qaim nur zu gut. „Wir können hier in Eu- ropa auch ohne die Technologie wirtschaften und werden satt“, sagt er. „Aber in ärmeren Ländern könnte die Gentechnik vor allem bei fortschreiten- dem Klimawandel zur Bekämpfung von Hunger und Mangelernährung beitragen.“ Landwirt Jochen Hartmann schließt Gentech- nik nicht kategorisch aus, setzt zunächst jedoch auf Methoden, die er kennt und selbst gestalten kann – unabhängig davon, ob sie „bio“ oder „kon- ventionell“ sind. „Dieser Streit bringt nichts“, sagt er. „Ideal wäre es, sinnvolle Ansätze von beiden zu vereinen.“ Kreislaufwirtschaft, Maßnahmen für mehr Biodiversität und Bodenfruchtbarkeit, wenig Pestizide. „Dann ist eine Landwirtschaft möglich, die mit der Umwelt vereinbar ist und trotzdem hohe und sichere Erträge bringt.“  Ralf Nestler Präzise Mit computer- gestützten Landmaschinen und Drohnen beobachten Landwirte den Zustand ihrer Pﬂ anzen und können so beispielsweise bei Schädlingen gezielt ein- greifen. Bild: Pixabay/ Herney Gómez www ONLINE Hier gibt es ein Interview mit Ulrich Schurr vom FZ Jülich über Bioökonomie und nachhaltiges Wirtschaften: www.helmholtz.de/ biooekonomie Helmholtz Perspektiven 01/2020 2 3

AUFBRUCH ZU EINER NEUEN WELT Die Quantenphysik ist einer der komplexesten Bereiche der Physik – und einer der vielversprechendsten: Forscher arbeiten an unterschiedlichen Technologien, die auf Quanten basieren. Sie könnten von der Medizin bis zur Materialforschung die Wissenschaft revolutionieren. Die Liste der erhoen Wunder ist lang: ein Sensor, der Grundwasser vom Orbit aus aufspürt. Eine Kappe, die Gedanken liest. Ein Computer, der eine Aufgabe binnen Minu- ten löst, für die selbst die größten Superrechner Jahrzehnte bräuchten. Das alles soll künig dank der Quantentechnologie möglich werden. Sie hat das Zeug dazu, den Alltag umzuwälzen, da sind sich Experten einig. Das menschliche Vorstel- lungsvermögen gerät schnell an seine Grenzen, wenn es um Eﬀekte aus der Quantenphysik geht (siehe Kasten). Und doch: Physiker können in ihren Labors einzelne Atome, Elektronen oder Lichtteilchen so präzise kontrollieren, dass darauf superschnelle Rechner, extrem präzise Sensoren superschnelle Rechner, extrem präzise Sensoren und sichere Kommunikationswege aufgebaut wer und sichere Kommunikationswege aufgebaut wer und sichere Kommunikationswege aufgebaut wer und sichere Kommunikationswege aufgebaut wer- den können. Das ehrgeizigste Ziel ist der Quanten den können. Das ehrgeizigste Ziel ist der Quanten den können. Das ehrgeizigste Ziel ist der Quanten- computer. Er soll alles können, was ein normaler computer. Er soll alles können, was ein normaler Rechner kann – nur sehr viel schneller. Seine Stär Rechner kann – nur sehr viel schneller. Seine Stär Rechner kann – nur sehr viel schneller. Seine Stär Rechner kann – nur sehr viel schneller. Seine Stär- ke erwächst aus dem „Qubit“. Heutige Computer ke erwächst aus dem „Qubit“. Heutige Computer nutzen als kleinste Recheneinheit das sogenannte nutzen als kleinste Recheneinheit das sogenannte nutzen als kleinste Recheneinheit das sogenannte Bit. Dieses kann jeweils nur den Wert 0 und 1 haben. Das Qubit hingegen nutzt die sogenannte Superposition und rechnet mit beiden Werten simultan. Mit jedem weiteren Qubit verdoppelt sich die Zahl der parallel verarbeitbaren Daten. Mit ein paar Hundert Qubits ist diese Zahl schon größer als die Anzahl der Atome im Universum. Dass die Wundermaschine wirklich ﬁx rechnet, bewies Google im vergangenen Jahr. Sein Quan- tenchip löste eine Aufgabe in wenigen Minuten, für die ein Superrechner Jahrtausende gebraucht hätte – und das mit nur 53 Qubits. Einen prakti- schen Nutzen hatte die Rechenaufgabe zwar nicht, aber das soll sich ändern: Denkbare Einsatzgebiete für künige Quantenrechner liegen zum Beispiel darin, optimale Lösungen in einem Heuhaufen an Möglichkeiten zu ﬁnden oder neue Algorithmen in der künstlichen Intelligenz zu ermöglichen, die viel schneller lernen. Am Forschungszentrum Helmholtz Perspektiven 01/2020 2 5

F O R S C H U N G www ONLINE Interviews, Porträts und weitere Infos zum Thema Quanten- technologien: www.helmholtz.de/ quantum Jülich entsteht derzeit ein Computer im Rahmen des Projekts OpenSuperQ – der erste dieser Art in des Projekts OpenSuperQ – der erste dieser Art in Europa. Das Besondere: Seine Architektur wird gänzlich oﬀengelegt und zugänglich sein, sodass die gesamte Forschungsgemeinscha an seiner Entwicklung teilhaben und den Rechner nutzen kann. Seine Entwicklung wird durch die euro- päische Mammutinitiative „Quantum-Flagship“ gefördert. Sie soll mit mehr als einer Milliarde Euro über zehn Jahre hinweg die Entwicklung von Produkten fördern, die auf den Regeln der exoti- schen Quantenwelt beruhen. Rund 5.000 Forscher aus Wissenscha und Industrie sind an den ersten 20 ausgewählten Projekten beteiligt. Das Ziel: Europas Wissenschalern und Unternehmen beim internationalen Wettlauf rund um Quantentechno- logien eine gute Ausgangsposition zu verschaﬀen. „In der EU verfügen wir über eine hohe wissen- schaliche Exzellenz in der Quantentechnologie“, sagt Tommaso Calarco, der Mitinitiator des Flag- ship-Projekts. „Das Flaggschiﬀ soll helfen, dass wir zusammen mit der Industrie dieses Potenzial in kommerzielle Produkte überführen. Sonst lau- fen wir Gefahr, dass Erkenntnisse, die in Europa initiiert worden sind, außerhalb des Kontinents zu marktreifen Anwendungen weiterentwickelt werden“, erklärt der Jülicher Physiker. „Wir brauchen noch einige Jahre, bis wir mit dieser Maschine einen Quantenvorteil erlangen können.“ Ebenfalls maßgeblich an dem Flaggschiﬀ beteiligt Ebenfalls maßgeblich an dem Flaggschiﬀ beteiligt ist sein Kollege David DiVincenzo. „Wir testen gerade einen sehr einfachen Quantenchip mit zwei gerade einen sehr einfachen Quantenchip mit zwei gerade einen sehr einfachen Quantenchip mit zwei Qubits“, sagt der Direktor des Bereichs Theoreti- sche Nanoelektronik des Peter Grünberg Instituts sche Nanoelektronik des Peter Grünberg Instituts am FZ Jülich. Warum nur zwei Qubits, wenn der Google-Rechner schon bei 53 ist? Europa will sich die Technologie selbst erarbeiten und muss daher bei null anfangen, will aber schnell aufholen. Ein zusätzlicher Chip mit sieben Qubits soll bald eingebaut werden. Weitere werden folgen. „Wir brauchen noch einige Jahre, bis wir mit dieser Maschine einen Quantenvorteil erlangen können“, sagt David DiVincenzo. Mit „Quantenvorteil“ meint Was sind Quanten? Quanten sind allgegenwärtig. Beim Lesen dieses Textes bei- gelangen, dazu, dass Sie diesen Text wahrnehmen können. spielsweise führen Lichtquanten (Photonen), die in Ihr Auge Die Bezeichnung Quanten wird allgemein für Elementarteilchen benutzt, also nicht mehr weiter teilbare Teilchen. Eines haben alle Quanten gemeinsam, daher auch ihr Name: Ihr Zustand ist quanti- siert, das heißt, sie treten nur in bestimmten, fest deﬁnierten Größen und Energieniveaus auf. So bezeichnet beispielsweise der berühmte Quantensprung den Wechsel eines Quants von seinem vorherigen Zustand in den nächsthöheren oder -niedrigeren. Die Quantenphysik beschreibt das Verhalten dieser Teilchen. Dieses Gebiet ist dermaßen komplex, dass es nur fachlich vorgebildete Menschen durchdringen –

Blick ins Innere Der Jülicher Physiker Markus Jerger bereitet die Verkabelung zur Messung des quantenmechanischen Zustands der Qubits vor. Bild: FZ Jülich/Ralf-Uwe Limbach er erste nutzbringende Anwendungen – konkret: Mit rund 100 Qubits wollen die Forscher mit OpenSuperQ vor allem chemische Verbindungen und deren Reaktionen simulieren – und zwar rascher und genauer als jeder Supercomputer. Industrieunternehmen wie Merck oder BASF sondieren schon, wie sie mit Quantenrechnern schneller neue Wirkstoﬀe oder bessere Materi- alien, etwa mit höherer Festigkeit, entwickeln können. Die Qubits allerdings lassen sich nicht gut bändigen. Das Hauptproblem für die Wissenscha- ler: Nach Sekundenbruchteilen verlieren Qubits ihre Fähigkeit, Werte simultan zu speichern. Denn Quanten sind sehr empﬁndlich und können leicht gestört werden, sodass die Superposition zusam- menbricht und Rechenfehler passieren. Deswegen müssen die Qubits in großen Kühlapparaten so gut wie möglich von der Außenwelt abgeschirmt und vor allem deshalb, weil es dem Menschenverstand und den Erfahrun- gen komplett zuwiderläuft. So kann man Quanten weder eine genaue Position noch eine genaue Bewegungsrichtung zuordnen. Keine ihrer Eigenschaften ist exakt vorherberechenbar. Ein Elektron beispiels- weise kann sich zugleich im und gegen den Uhrzeigersinn um die eigene Achse drehen. Erst wenn man es misst, also beobachtet, nimmt es eine feste Position und konkrete Eigenschaften an – so als wüsste es, dass es beobachtet wird. Zum Verständnis hilft hier das berühmte Gedankenexperiment „Schrödingers Katze“: Man stelle sich eine Katze in einer verschlossenen, blickdichten Kiste vor. In der Kiste beﬁndet sich eine Mordapparatur, die rein zufällig vom Zerfall eines radioaktiven Atoms gesteuert wird. Wann ist also die Katze noch lebendig, wann tot? Diese Frage ent- scheidet sich erst, sobald ein Beobachter die Kiste öﬀnet. Bis dahin ist die Katze beides: tot und lebendig. Nach der Quantenphysik kann sich ein Teilchen in unglaublich vielen unterschied- lichen Zuständen beﬁnden. Das geht sogar so weit, dass es sich an zwei Orten gleichzeitig aufhalten kann. Das Phänomen nennt sich Super- position und ist zentral für die Quantentechnologie. So zum Beispiel beim Quantencomputer: Bei einem herkömmlichen Rechner können Bits genau einen von 2 7 2 7 2 7

F O R S C H U N G www ONLINE „In den nächsten 20 Jahren wird der Quantencomputer Realität“ – Interview mit Wolfgang Marquardt vom FZ Jülich: www.helmholtz.de/ quantencomputer stabilisiert werden. Doch das ist aufwendig und gelingt nur begrenzt. Wenn die Qubits stabiler wären, ließen sie sich zu Zehntausenden verknüp- fen, so die Hoﬀnung der Forscher. Und das ist die Zahl von Qubits, die nach Expertenschätzung für einen „richtigen“, universell einsetzbaren Quan- tencomputer nötig sein wird. An dieser Stelle setzt Kristel Michielsen am Jülich Supercomputing Centre an. Der dortige Supercomputer simuliert Quantencomputer. „Wir ahmen eine ideale Maschine nach und vergleichen die Resultate mit der echten“, sagt die Physikerin. Die Jülicher Forscher simulierten auch Googles Quantenchip, um die Ergebnisse zu veriﬁzie- ren und die Leistung des Quantencomputers zu bestimmen. Die Rechenspiele dienen nicht zuletzt der Forschung am Quantencomputer. „Wir können damit besser verstehen, was die Qubits tun“, sagt Kristel Michielsen – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu stabileren Qubits. Ihre Hoﬀnung richten Forscher zudem auf neue Materialien für Qubits. Fast jedes Objekt, das den Regeln der Quanten- physik gehorcht, kommt infrage. Bewährt haben sich bereits Supraleiter, in denen Strom gleich- zeitig in zwei Richtungen ﬂießt (wie im Jülicher OpenSuperQ), und Ionen, die zwei Energieniveaus simultan einnehmen. In Zukun können es aber auch unsichtbare, winzige Magnete sein, deren Nordpol simultan nach oben und unten zeigt, wie sie der Quantenforscher Wolfgang Wernsdorfer am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) erforscht. Die Kerne von Atomen sind solche Magnete. „Durch die Elektronenhülle werden sie gut von der Umwelt abgeschirmt“, so Wolf- gang Wernsdorfer. „Allerdings erzeugen diese Magnete sehr schwache Signale, die sich schwer auslesen lassen“, sagt der Physiker, der am KIT eine Humboldt-Professur innehat. Er entwickelt eine Humboldt-Professur innehat. Er entwickelt eine Art Verstärker dafür: Mit seinen Kollegen eine Art Verstärker dafür: Mit seinen Kollegen legt er das magnetische Qubit in ein tellerförmi- legt er das magnetische Qubit in ein tellerförmi ges Molekül, in dem es einen messbaren Strom ges Molekül, in dem es einen messbaren Strom hervorru. Sehr viele davon mit einem Verstärker hervorru. Sehr viele davon mit einem Verstärker zu versehen, sehen die Karlsruher Forscher als zu versehen, sehen die Karlsruher Forscher als ihre Herausforderung. Der Vorteil solcher Qubits ihre Herausforderung. Der Vorteil solcher Qubits sei ihre Winzigkeit, sagt Wolfgang Wernsdorfer. sei ihre Winzigkeit, sagt Wolfgang Wernsdorfer. sei ihre Winzigkeit, sagt Wolfgang Wernsdorfer. Millionen davon ließen sich auf kleinstem Raum Millionen davon ließen sich auf kleinstem Raum konzentrieren. konzentrieren. Dass Qubits solche Mimosen sind, lässt sich Dass Qubits solche Mimosen sind, lässt sich auch nutzen: für besonders empﬁndliche, genaue auch nutzen: für besonders empﬁndliche, genaue und miniaturisierte Sensoren – ein weiteres Ziel und miniaturisierte Sensoren – ein weiteres Ziel der Quantentechnologie. Wegen ihrer geringen der Quantentechnologie. Wegen ihrer geringen Größe können Atome an unzugänglichen Orten Größe können Atome an unzugänglichen Orten eingesetzt werden, selbst im Körperinneren. Dort eingesetzt werden, selbst im Körperinneren. Dort könnten spezielle Sensoren, die auf der Quanten- könnten spezielle Sensoren, die auf der Quanten- technologie basieren, genutzt werden, um bei- technologie basieren, genutzt werden, um bei- spielsweise Tumore zu kartieren. Der große Vorteil: spielsweise Tumore zu kartieren. Der große Vorteil: Alle Teilchen einer Art sind identisch und reagie- Alle Teilchen einer Art sind identisch und reagie ren auf gleiche Reize gleich. Ein „Quantensensor“ ren auf gleiche Reize gleich. Ein „Quantensensor“ spart daher die regelmäßige Eichung, die Natur spart daher die regelmäßige Eichung, die Natur justiert ihn. justiert ihn. justiert ihn. „Man könnte sogar Gehirnströme genau genug messen, um Computer per Gedanken zu steuern.“ Arne Wickenbrock vom Helmholtz-Institut Mainz Arne Wickenbrock vom Helmholtz-Institut Mainz Arne Wickenbrock vom Helmholtz-Institut Mainz Arne Wickenbrock vom Helmholtz-Institut Mainz nutzt Stickstoﬀatome als Sensoren, die in einen nutzt Stickstoﬀatome als Sensoren, die in einen Diamanten eingebettet sind. Das Atom verhält sich Diamanten eingebettet sind. Das Atom verhält sich wie eine Kompassnadel, die auf winzige Magnetfel- wie eine Kompassnadel, die auf winzige Magnetfel der reagiert. „Bezogen auf sein Volumen hat dieser der reagiert. „Bezogen auf sein Volumen hat dieser Sensor die weltweit größte Empﬁndlichkeit“, sagt Sensor die weltweit größte Empﬁndlichkeit“, sagt der Physiker. Die Hülle aus Diamant schirmt ihn der Physiker. Die Hülle aus Diamant schirmt ihn gegen störende Umwelteinﬂüsse ab, sodass er gegen störende Umwelteinﬂüsse ab, sodass er zwei möglichen Zuständen einnehmen: entweder 0 oder 1. Ein Quantencomputer kann sich gleichzeitig in beiden Zuständen beﬁnden; er kann mit zwei Qubits also nicht nur zwei, sondern zwei mal zwei verschiedene Zustände haben. Bei 50 Qubits sind dies schon mehr als eine Billiarde Zustände. Dementsprechend viele Rechnungen können durchführt werden. Eine weitere Regel der Quantenphysik ist der Welle-Teilchen- Dualismus. Denn Quanten führen quasi ein Doppelleben: Mal ver- halten sie sich wie Teilchen, mal wie eine Welle – je nach Art der Messung, die man an ihnen durchführt. Anschaulich wird dies mit diesem Experiment: Lässt man beispielsweise ein einzelnes Elektron auf eine Wand mit zwei Schlitzen zuﬂiegen, sollte es sich nach der klassischen Physik entweder nur hin- ter dem linken oder nur hinter dem rechten Schlitz nachweisen lassen. Doch tatsächlich bildet sich ein In- terferenzmuster, als wären Wellen auf die Schlitze getroﬀen, die sich durch Über- lagerung schwächen oder verstärken, sodass sich das Interferenzmuster ergibt. Diese mysteriöse Eigenschaft von Quanten lässt sich ebenfalls für verschiedene Bereiche nutzbar machen: beispielsweise für präzise Navigations- geräte, die ohne Satelliten auskommen.  2 8 Helmholtz Perspektiven 01/2020

Modelle unter einen Hut kommen, ergeben sich o ganz neue Einsichten. Somit könnte die Quanten- technologie nicht nur den Alltag verändern, sondern auch das Weltbild.  Christian Meier Noch präziser Das in Hannover entwickelte transportable Quanten- Gravimeter QG1 hebt sich deutlich von klassischen Gravimetern durch höhere Langzeitstabilität und höhere Messgenauigkeit ab. Bild: Institut für Quantenoptik, Leibniz Universität Hannover auch im menschlichen Körper funktionieren wür- de. „Man könnte sogar Gehirnströme genau genug messen, um Computer per Gedanken zu steuern“, nennt Arne Wickenbrock eine weitere Vision. Und: Weil sich die Orientierung der atomaren Kompass- nadel präzise bestimmen lässt, will sein Forscher- team damit millimetergenaue Navigationsgeräte ermöglichen. Sie könnten beispielsweise autonome ermöglichen. Sie könnten beispielsweise autonome ermöglichen. Sie könnten beispielsweise autonome Autos auch dann in der Spur halten, wenn der Kontakt zum Satelliten abreißt – im Tunnel etwa. Den Gipfel an Präzision erreichen Quantensen- soren wohl bei der Messung der Schwerkra. „Wir entwickeln einen gravimetri- schen Quantensensor, der zehnmal genauer ist als die besten derzeit verfügbaren Sensoren.“ Atome als Gravitationssensoren sind empﬁndlich genug, um selbst aus dem All eine Veränderung des Grundwasserspiegels zu erkennen, davon sind Wissenschaler überzeugt. Der Sensor arbeitet mit der Wellennatur, die Atome gemäß Quanten- physik haben. Die Wellenlänge der Teilchen ist 10.000-mal kleiner als die von Licht. Die Welle wirkt, grob gesagt, wie ein äußerst feiner Zoll- stock, mit dem sich die Länge des Weges bestim- men lässt, den ein Atom nimmt. Feinste Unter- schiede in der Schwerkra ändern die Weglänge, die frei fallende Atome in einer bestimmten Zeit zurücklegen. So lassen sich minimale Unterschie- de in der Gravitation bestimmen. „Wir entwickeln einen gravimetrischen Quantensensor, der zehnmal genauer ist als die besten derzeit verfügbaren Sensoren“, sagt Wolf- gang Ertmer vom Institut für Satellitengeodäsie und Inertialsensorik des Deutschen Zentrums für Lu- und Raumfahrt (DLR). Rein rechnerisch könnte man damit die Schwerkra, die von einem menschlichen Körper ausgeht, noch in einem Kilometer Abstand messen. Diese Präzision biete faszinierende Möglichkeiten, so der Physiker, etwa die Untersuchung des Innern des Planeten Mars. Denn unterschiedliche Materialien unter der Planetenoberﬂäche wirken sich auf die örtliche Schwerkra aus. Noch interessanter aber ﬁndet er die Chance, oﬀene Rätsel der Physik zu lösen, etwa ob die Gesetze der Schwerkra für äußerst kleine Massen noch gelten. Dieses Wissen könnte dabei helfen, eine Lücke zu schließen, die schon lange im physikalischen Weltbild kla: Bislang gelang es nicht, Quantenphysik und Einsteins Theorie der Gravitation zu vereinen. Wenn zwei Helmholtz Perspektiven 01/2020 2 9 2 9

S TA N D P U N K T E EU: Wie marktnah sollen Forscher arbeiten? Horizon Europe – so heißt das nächste EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation, das 2021 startet und Fördergelder in Milliardenhöhe bietet. Geförderte EU-Projekte sollen vor allem marktreife Ergebnisse im Blick haben. Schon seit Jahren drängt die EU bei Projekten in Richtung Anwendungsnähe statt Grundlagenforschung. Doch ist das die richtige Strategie? Woher kommen die neuen Ideen für übermorgen? Zwei Blickwinkel. Peter Dröll ist Direktor für den Bereich „Wohlstand“ in der Generaldirektion For- schung und Innovation der Europäischen Kommission. „Die Forschung in Europa hat ein gewaltiges Potenzial, und es liegt im Interesse von uns allen, es besser zu nutzen.“ Gleich vorweg: Es geht hier nicht um die Frage der Forschungsfreiheit. Sie ist ein hohes Gut, das wir alle schützen wollen und ständig verteidigen müssen. Klar ist auch, dass jeder Forscher einen Beitrag für die Allge- meinheit leisten will und dass die Zusammen- arbeit zwischen Wissenschaft und Wirtschaft für beide Seiten gut ist – gemessen daran, wie viele Veröﬀ entlichungen daraus resultieren und wie viel Innovationskraft und Wirtschaftsleistung aus der Zusammenarbeit entsteht. Für mich steht außer Frage: Die Forschung in Europa hat ein gewaltiges Potenzial, und es liegt im Interesse von uns allen, es besser zu nutzen. Das wird allein beim Blick auf die Zahlen deutlich; so kommt ein Drittel der wissenschaftlichen Ver- öﬀ entlichungen aus Europa – aber nur ein Fünftel der Patente. Was treibt uns aber bei dieser Frage um, warum polarisiert sie? Geht es darum, Mittel für den „eigenen“ Bereich zu sichern – Grundlagen anstatt Marktnähe zu fördern? Ich halte diese Polarisierung nicht für zielführend: Es geht um das Gesamtvolumen der Forschungsinvestitionen. Aus vielen Gesprächen mit Forschern schließe ich, dass der Kern der Bedenken in der „B-Frage“ liegt: Büro- kratie gegen Forschung. Das Abfragen von mögli- chen Anwendungsfeldern schon bei der Projektan- tragstellung, die Pﬂ icht zur Vorlage von Plänen zur Markteinführung wird von Forschenden als der „wirklichen“ Aufgabe abträglich empfunden. Zusätzlicher Aufwand und Kosten entstehen dabei sicher. Aber die Kosten, diese Erwägungen nicht von Anfang an in ein europäisches Verbund- projekt einzubringen (Projekte mit einer Dauer von vier Jahren, einem durchschnittlichen Budget von sechs Millionen Euro und zwölf Partnern) wären viel höher. Wollen wir es uns wirklich leisten, Erkenntnisgewinn in Europa öﬀ entlich zu ﬁ nanzieren ohne Blick darauf, wer daraus Gewinn für die Öﬀ entlichkeit zieht? Und wie viel kostet es wirklich, sich bei der Erarbeitung der Forschungs- frage und der Konzeptentwicklung zu fragen, um welchen Teil des Ganzen es geht? Ob es sinnvoll wäre, andere Forschungsdisziplinen, zum Beispiel aus dem weiten Feld der Geistes- und Sozial- wissenschaften, einzubeziehen? Welche Bedeu- tung die erstrebten Ergebnisse für wen in der Gesellschaft haben könnten? Ob geistiges Eigen- tum entsteht, das besser geschützt wird, und ob Institute für Normung mitmachen sollten? Meine Antwort ist klar: EU – Forschungs- freiheit und Nähe zu Menschen immer, Marktnähe so weit wie möglich.  3 0 Helmholtz Perspektiven 01/2020

„Horizon Europe sollte ganzheitlich motivierte Forschung fördern, dabei jedoch zukünftige Szenarien betonen, anstatt unmittelbare Marktreife zu fordern.“ Die Luftfahrtforschung ist durch starke inter- disziplinäre Wechselwirkungen charakte- risiert. Insbesondere das Erforschen von Schlüsseltechnologien erfordert daher die Betrach- tung des Systems mit seinen Wechselwirkungen und realistischen Randbedingungen. Nur so lässt sich bewerten, inwieweit die erforschten Techno- logien einen Beitrag dazu leisten, die teilweise widersprüchlichen gesellschaftlichen Herausforde- rungen zu lösen – etwa kostengünstige Mobilität bereitzustellen und zugleich Umweltwirkungen zu vermeiden. Das Rahmenprogramm der EU bietet einzig- artige Möglichkeiten, die für diese systemische Forschung notwendige Expertise aus Industrie und Forschung zusammenzubringen. Vielfältige Herangehensweisen und Perspektiven der Partner begünstigen innovative Lösungen. Außerdem ermöglicht es dieser große Rahmen, mehrere Technologien in Kombination miteinander zu erforschen und synergetische Lösungen auf Ebene des Gesamtsystems zu entwickeln. Anwendungs- und marktnahe Betrachtungen können dabei ganz grundlegende Forschung erfordern und stehen mit dieser nicht im Widerspruch. Wichtig ist es aber, die unterschiedlichen Zeitrahmen im Blick zu behalten: Im Gegensatz zur Entwicklung soll die Forschung neue Technologien nicht für morgen, sondern für übermorgen liefern. Dieser lange Zeithorizont der Forschung ist nur bedingt kompatibel mit der industriellen Planung, die, getrieben durch die Entwicklungen des Mark- tes, relativ kurzfristigen Änderungen unterworfen sein kann. Horizon Europe sollte dem Rechnung tragen und ganzheitlich motivierte Forschung för- dern, dabei jedoch zukünftige Szenarien betonen, anstatt unmittelbare Marktreife zu fordern. Und noch einen Aspekt halte ich für wich- tig: Das in der öﬀ entlich geförderten Forschung erarbeitete Wissen sollte nicht bei nur wenigen verbleiben, sondern möglichst öﬀ entlich zugäng- lich gemacht werden; so, wie es die Open-Science- Strategie der EU fordert. Dadurch wird die Basis für innovative Produkte und Dienstleistungen ge- legt – und damit auch für neue Geschäftsmodelle. In Bezug auf Budgets und eigenständige Governance sollte die EU-Forschungsförderung ausbalanciert sein für beide Aspekte: zum einen große Experimente wie beispielsweise die Flug- versuche im Clean-Sky-Programm der EU mit notwendiger Anwendungsnähe. Und zum anderen Grundlagenforschung und Zukunftsthemen wie die Verwendung von künstlicher Intelligenz in digitalen Entwurfsprozessen.  Björn Nagel ist Gründungs- direktor des Instituts für Systemarchitekturen in der Luftfahrt am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). www ONLINE Diskutieren Sie mit uns unter dem folgenden Link: www.helmholtz.de/ blickwinkel Helmholtz Perspektiven 01/2020 3 1

Unter tonnenschwerem Gestein soll ato- marer Müll für die Ewigkeit versiegelt werden. Viele Hundert Meter unter der Erdoberﬂ äche. In Deutschland sind die Salzstöcke in Bad Zwischenahn, Gorleben oder Gülze-Sumte schon lange als Endlager für hoch radioaktive Abfälle im Gespräch. Aber auch Granitforma- tionen und mächtige Tonschichten kommen dafür in Betracht. Doch was passiert, wenn undichte Behälter und ein Wassereinbruch zusammen- kommen und die strahlende Fracht dadurch unkontrolliert freigesetzt wird? Einen möglichen Ausweg aus diesem Sze- nario verspricht sich die Geoökologin Andrea Cherkouks von ungewöhnlichen Helfern: Mikro- organismen. Könnten sie mithelfen, den GAU in der Tiefe zu verhindern? „Wir haben uns gefragt, welche Mikroorganismen in Salzschichten natür- lich vorkommen und wie diese mit Radionukliden wechselwirken“, erzählt Andrea Cherkouk, die am Institut für Ressourcenökologie des Helmholtz- Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) die Nach- wuchsgruppe MicroSalt leitete. So wie sie nehmen viele Wissenschaftler derzeit Mikroorganismen in den Blick: Sie könnten dabei helfen, unterschied- lichste Schadstoﬀ e in der Natur unschädlich zu machen. Andrea Cherkouk fand bei österreichischen Kollegen das erste Mosaiksteinchen für ihren An- satz: Sie hatten Archaeen beschrieben – einzellige Lebewesen, die früher auch Urbakterien genannt wurden –, die in Salzschichten vorkommen, die jenen in Salzbergwerken sehr ähnlich sind. Andrea Cherkouk und ihre Kollegen beschaﬀ ten sich Reinkulturen bei der Deutschen Sammlung für Mikroorganismen und Zellkulturen in Braun- schweig. Die brachten sie im Labor dann mit den beiden radioaktiven und giftigen Schwermetallen Uran und Curium in Kontakt – mit verblüﬀ endem Ergebnis: „Sobald die Zelle merkt, dass da ein potenziell gefährlicher Stoﬀ ankommt, bindet sie diesen an Phosphat oder auch an Carbonat“, erklärt Andrea Cherkouk. „Es entstehen wasser- unlösliche Minerale. Die werden dann nicht so einfach transportiert. Die Ausbreitung der strahlenden Fracht wird also aufgehalten.“ Die Erkenntnisse der Dresdner Forschergruppe sollen nun bei der Sicherheitsbewertung zukünftiger Endlagerstätten berücksichtigt werden. Mikroorganismen wie Archaeen oder Bak- terien sind die heimlichen Herrscher des Plane- ten. Schon lange bevor höheres Leben erblühte, besiedelten sie die Erde. Über Äonen hinweg hat die Evolution an ihnen gefeilt und sie dabei mit den erstaunlichsten Fähigkeiten ausgestattet. Für Mikrobiologen ist dies eine Schatztruhe, in der sie unablässig nach Lösungen für dringende Probleme der Menschheit suchen. Zum Beispiel, wie sich Umweltschadstoﬀ e auf natürliche Weise eindäm- men oder sogar unschädlich machen lassen. Denn es sind nicht nur radioaktive Schwer- metalle, sondern beispielsweise auch Pestizide aus der Landwirtschaft, mit denen Mikroben umzu- gehen wissen. Wie genau sie das tun, untersucht Matthias Kästner. Der Professor für Mikrobiologie leitet das Department Umweltbiotechnologie am Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ. Seine Arbeitsgruppe beschäftigt sich unter ande- rem mit Glyphosat, einem Herbizid, das vor allem wegen seiner möglichen krebserregenden Wirkung einen Stammplatz in den Medien innehat. Natürlicher Prozess Haloarchaeen (rosa) können radioaktive Schwermetalle in unlösliche Uranylphos- phatminerale (grün) binden und so die Ausbreitung der Stoﬀ e verhindern. Bild: HZDR/Juniks Mikroorganismen Sie könnten dabei helfen, unterschiedlichste Schadstoffe in der Natur unschädlich zu machen. Helmholtz Perspektiven 01/2020 3 3

F O R S C H U N G Pestizide umwandeln „In der Natur bauen Mikroorganismen Glyphosat im Prinzip komplett zu Biomasse und Kohlendioxid ab. Damit sind die Rückstände toxikologisch unbedenklich.“ „Bevor neue Pestizide ihre Zulassung erhalten, muss ihr Umweltverhalten eingehend untersucht werden“, erklärt der Mikrobiologe und Biotechno- loge. Um zu sehen, wie sich mögliche Rückstände in Boden, Wasser oder Luft verteilen, wird das Pestizid für Testzwecke mit dem radioaktiven Kohlenstoﬀ -Isotop 14C markiert. Wenn Forscher anschließend das Signal des zerfallenden Kohlen- stoﬀ es verfolgen, stellen sie dadurch fest, wo sich die Rückstände beﬁ nden. Doch wie ein Pestizid in der Natur verändert und zu welchen Substanzen es genau abgebaut wird, darüber können aktuelle Testverfahren nur wenig Auskunft geben. Genau dort setzt Matthias Kästners Forschung an. „In der Natur bauen Mikroorganismen Glyphosat im Prinzip komplett zu Biomasse und Kohlendioxid ab. Damit sind die Rückstände toxikologisch un- bedenklich“, sagt der Forscher. „Doch in manchen Fällen bleibt Aminomethylphosphonsäure, kurz AMPA, übrig. Das Stoﬀ wechselprodukt kann ebenfalls Zellschäden verursachen, wird aber viel langsamer abgebaut als Glyphosat und reichert sich deshalb in der Umwelt an.“ Matthias Kästner wollte wis- sen, warum sich manchmal AMPA bildet und manchmal nicht. Deshalb hat auch er das Glyphosat für seine Studie markiert. Allerdings nicht top als Marker verwendet, lässt sich später anhand der Strahlung nur feststellen, ob es mitsamt den Stoﬀ wechselprodukten in Luft, Boden oder Wasser übergeht. Zu welchen Stoﬀ en Glyphosat zersetzt wird, lässt sich damit nur schwer herausﬁ nden. „Wir haben stattdessen zwei stabile, aber in der Natur sehr selten vorkommende Isotope von Kohlenstoﬀ und von Stickstoﬀ eingebaut: 13C und 14N.“ Der Trick: Bei dieser Herangehensweise untersuchen die Forscher die Moleküle in Boden-, Luft- und Wasserproben genau auf ihr Isotopenver- hältnis. Stoßen sie dabei auf die seltenen Formen von Kohlenstoﬀ oder Stickstoﬀ , dann ist das unter- suchte Molekül mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit ein Stoﬀ wechselprodukt des Glyphosats. Das Ergebnis war überraschend: „Zu Anfang haben unsere Mikroorganismen das Glyphosat vollständig abgebaut, sich also davon ernährt“, fasst der Mikrobiologe zusammen. „Aber nach einer bestimmten Zeit des Wachstums ﬁ ngen sie an, AMPA zu produzieren.“ Die Erklärung liefert der Forscher gleich mit. „In der normalen mikrobi- ellen Biomasse ist das Verhältnis von Kohlenstoﬀ zu Stickstoﬀ ungefähr neun zu eins. Im Glyphosat hingegen ist gut dreimal so viel Stickstoﬀ . Haben die Bakterien genug davon aufgenommen, wan- deln sie den Rest des Glyphosats in AMPA um“, sagt Matthias Kästner. Mittlerweile hat seine Methode, die Stoﬀ - mit 14C. Denn wird das radioaktive Iso- wechselwege von Mikroorganismen zu erkunden, 3 4 Helmholtz Perspektiven 01/2020

auch das Interesse der Europäischen Chemikali- enagentur auf sich gezogen. In Zukunft werden solche Untersuchungen wohl in die Gesetzgebung über Biozide und Pestizide einﬂ ießen. „Die Enzyme, die Mikroorganismen für den Schadstoﬀ abbau nutzen, sind durch die Evolution in Millionen von Jahren immer perfekter auf den jeweiligen Stoﬀ ausgerichtet worden“, bringt Die- ter Bryniok die Vorteile biologischer Systeme auf den Punkt. „Bei chemischen Reaktionen hingegen entstehen immer auch Zwischenprodukte, die mitunter giftiger sind, als es der Ausgangsstoﬀ je war.“ Der Professor für Umweltbiotechnologie lehrt heute an der Hochschule Hamm-Lippstadt. Neben Bioenergie interessiert ihn ganz besonders der biologische Schadstoﬀ abbau, an dem er jahre- lang am Fraunhofer-Institut für Grenzﬂ ächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB) in Stuttgart forschte. Bei seiner Arbeit dort standen neben Grund- wasser, das mit chlorierten Kohlenwasserstoﬀ en kontaminiert war, vor allem Industrieabwässer in seinem Fokus. Dieter Bryniok entwickelte biologische Reinigungsverfahren, zum Beispiel um Zyanide unschädlich zu machen. Und er hat sich mit dem Abbau von Formaldehyd befasst. Das farblose und stechend riechende Gas setzt jeder menschliche Körper in kleinsten Mengen als Stoﬀ wechselprodukt frei. In konzentrierter Form jedoch schützt es Präparate, Gewebeproben, ja sogar Leichen wirksam vor Verwesung und Verfall oder hält die Flächen in Krankenhäusern steril. Auf der anderen Seite ist der Stoﬀ aber nicht nur ein Kontaktallergen, sondern wird mittlerweile auch als krebserzeugend eingestuft. „Wir sind auf Bakterien gestoßen, die in so hohen Formaldehydkon- zentrationen überleben können, wie sie allgemein zur Desinfektion in Krankenhäusern angewendet werden.“ Lassen sich dann formaldehydbelastete Abwässer überhaupt biologisch reinigen? „Um der Frage nachzugehen, haben wir einen anderen Weg eingeschlagen als viele Kollegen“, erzählt der Physiker und Biologe. Sie haben nicht in der Natur nach Protagonisten für ihre Experimente ge- sucht, sondern sich erst einmal in der Bibliothek vergraben. „Wir haben zuallererst geschaut, auf welchem Wege ein Stoﬀ chemisch abgebaut wird. Denn wir wussten: Was auf chemischem Wege möglich ist, das hat auch irgendein Organismus bereits umgesetzt. Und was auf chemischem Wege unmöglich ist, funktioniert auch biologisch nicht.“ Ergebnis dieser Recherchen war: Formaldehyd ist ein Zwischenprodukt beim Abbau von Methanol. Mikroorganismen zu ﬁ nden, die diesen einfachen Alkohol in hohen Konzentrationen abbauen, war dann nicht schwer. „Wir haben diese selektiert und mit einigen Tricks auch hohen Konzentrati- onen an Formaldehyd ausgesetzt“, erzählt Dieter Bryniok. „So sind wir im Endeﬀ ekt auf Bakterien gestoßen, die in so hohen Formaldehydkonzen- trationen überleben können, wie sie allgemein zur Desinfektion in Krankenhäusern angewendet werden.“ Die Mühe hat sich gelohnt. Denn die Wis- www ONLINE Warum archiviert man Mikroben? Interview mit Jörg Overmann, Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen (DSMZ) www.helmholtz.de/ mikroben senschaftler hielten jetzt nicht nur ein Bakterium in den Händen, das Formaldehyd gut abbauen kann – nein, sie haben daraus auch jenes Enzym extrahiert, das für den Formaldehydabbau zustän- dig ist. „Lebende Bakterien als Filter zu benut- zen ist in vielen Fällen nicht praktikabel“, sagt Dieter Bryniok – und fügt gleich ein Beispiel an: Bodenbeläge, Spanplatten oder Möbel etwa geben oft Formaldehydausdünstungen an die Wohnraum- luft ab. Hier könnte ein Filter helfen, in dem das Enzym eingesetzt wird.  Kai Dürfeld Verunreinigt Das Tal des Dorfes Geamana wurde mit Klärschlamm aus einer nahe gelegenen Mine geﬂ utet und ist mit Zyanid und anderen Chemikalien belastet. Bild: Shutterstock/Calin Stan Helmholtz Perspektiven 01/2020 3 5

H E L M H O LT Z W E LT W E I T „ Wir nutzen das Wissen der Älteren, um die Bedeutung der Veränderung zu verstehen“ An der Spitze des kanadischen Yukon-Territoriums untersucht Hugues Lantuit, wie der Klimawandel die Region verändert. Der Geowissenschaftler bezieht in seine Forschung auch die Erfahrungen der Ortsansässigen ein. Ein Sommer nördlich des Polarkreises: Flechten, Moose und Gräser wachsen, zarte Wildblumen blühen. An steil abfallenden Klippen endet die arktische Tundra-Landschaft. Von ikonischen Eisbergen auf dem Meer kei- ne Spur. „Wir haben so viele falsche Bilder im Kopf“, sagt Hugues Lantuit, „wir denken an die Arktis und stellen uns gleich Schnee und Eis vor, aber ich erlebe die Arktis als einen grünen Ort.“ Qikiqtaruk heißt dieser grüne Ort, eine Insel in der Beaufortsee im Arktischen Ozean – besser bekannt als Herschel Island. Hier liegt das Feld- labor von Hugues Lantuit. Seit 2006 bricht der Geowissenschaftler vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresfor- schung (AWI) jedes Jahr an die nördlichste Spitze des kanadischen Yukon-Territoriums auf, um die Permafrostböden zu untersuchen.

Die Böden sind einen Großteil des Jahres hin- durch gefroren. Nur zwischen Juni und September steigen die Temperaturen über den Gefrierpunkt, sodass sie oberﬂ ächlich antauen. Doch infolge der Erderwärmung tauen die Permafrostböden immer tiefer auf. Das treibt den gebürtigen Franzosen um: In den Böden der arktischen Permafrostgebie- te sind enorme Mengen Kohlenstoﬀ gespeichert. Er ergründet, welche Auswirkungen es auf das Klima und die regionale Wirtschaft hat, wenn Küsten- und Unterwasser-Permafrost auftaut und Kohlenstoﬀ freigesetzt wird. „Arktische Küstengebiete, das klingt vielleicht nach einem Nischenthema“, sagt der 42-jährige Hugues Lantuit, „aber ein Drittel der Küsten weltweit sind Permafrostküsten. Und wenn diese Böden tauen, ist das eine Bedrohung für den globalen Klimakreislauf.“ In der Region spüren die Menschen schon jetzt die Folgen: Die Küsten leiden unter Erosion, sie brechen mit großer Geschwindigkeit weg, viel schneller als etwa Steilküsten in Nordeuropa. Und die ganze Infra- struktur nimmt Schaden: Wege und Landebahnen beginnen zu bröckeln, Gebäude und Leitungen sind gefährdet, wenn der Untergrund aufweicht. „Die Reparaturkosten sind beachtlich, es wird schwerer zu bauen“, erklärt Hugues Lantuit die Situation. „Wir erforschen auch, welche Risiken für die Infrastruktur und die Gesundheit der Menschen entstehen.“ Das ist einer der Gründe für das EU-Projekt Nuna- taryuk, benannt nach dem Ausdruck für „Land – Meer“ auf Inuvialuktun, der Sprache der Inuit Nordwestkanadas. „Wir wollen nicht nur verste- hen, was mit dem organischen Material passiert, das beim Auftauen freigesetzt wird und über Flüsse ins Meer gelangt, sondern wir erforschen auch, welche Risiken für die Infrastruktur und die Gesundheit der Menschen entstehen“, sagt Hugues Lantuit, der das Projekt seit 2017 koordi- niert. 28 Partnereinrichtungen arbeiten darin Helmholtz Perspektiven 01/2020 3 7

H E L M H O LT Z W E LT W E I T Abgeschieden Arktische Siedlungen beﬁ nden sich meist an den Küsten, die vom Klimawandel besonders bedroht sind. Bild: Leneisja Jungsberg B e i g u te m We t te r kö n n e n d i e F o r s c h e r M e s s u n ge n vo n f r ü h b i s s p ä t d u r c h f ü h r e n . L a n ge Ta ge B i l d : N i e k S p e e t j e n s zusammen, Naturwissenschaftler sind ebenso beteiligt wie Sozialwissenschaftler. Das Besondere: Das Projekt wird von einem Forum geleitet, in dem Vertreter der arktischen Küstengemeinden beteiligt sind – und der indigenen Gesellschaften, die einen bedeutenden Bevölkerungsanteil stellen. „Die Menschen interessiert, wie es der Fauna geht, und die Fischer wollen wissen, wie das Ökosystem Küste beeinﬂ usst wird“, sagt der AWI-Forscher. Ausgangspunkt jeder Forschungsreise ist Inuvik, mit rund 3.500 Einwohnern die größte kanadische Stadt nördlich des Polarkreises – hier bereiten sich die Wissenschaftler auf ihre vierwöchige Feldarbeit vor. „Sehr gut zugänglich“, bewertet der Geoforscher die Lage Inuviks, zwei Tage dauere die Reise mit dem Flugzeug dorthin nur. Hugues Lantuit scheint von den vielen Reisen abgehärtet. „Die ersten Tage vor Ort sind immer für die Organisation der Feldarbeiten reserviert. Einkaufen, auspacken, umpacken, Leute treﬀ en, Hände schütteln, Kisten schleppen“, berichtet sein Forscherteam online nach Hause. Das Baumarkt- sortiment inspizieren, Mahlzeiten vorbereiten und einfrieren, Ausrüstung und Verbrauchsmaterial ordnen, es ist viel zu tun, bevor sie dann aufbre- chen zu den vier Wochen Arbeiten und Leben im Feld. Es geht weiter nach Aklavik: ein übersichtli- ches Dorf, für die 600 Einwohner gibt es kleine Su- permärkte und einen Landestreifen für Flugzeuge, eine Straße führt nicht hierhin. Die Siedlung ist von Wasserläufen und Seen umgeben. Ein Kleinﬂ ug- zeug Typ Twin Otter ist in dieser Region das Ver- kehrsmittel der Wahl. Mit ihm legen die Forscher auch die letzten rund 200 Kilometer nach Herschel Island zurück. Lediglich eine Handvoll Passagiere kann die Twin Otter mitnehmen; denn meistens sind noch Hunderte Kilo Fracht mit an Bord. „Jeden Morgen sitzen wir zusammen und bewerten neu, ob wir die geplan- ten Arbeiten angehen können.“ „Herschel Island ist eine sehr schöne Insel, ein sehr besonderer Ort“, sagt Hugues Lantuit. Sie hat den Status eines besonderen Schutzgebiets. Alte Holzgebäude aus Kolonialzeiten sind heute zu Un- terkünften und Behelfslaboren für Wissenschaftler umfunktioniert. Das sei viel komfortabler als früher, beﬁ ndet der Wissenschaftler: Bei seinen ersten Expeditionen vor 16 Jahren sei er noch im Zelt untergebracht gewesen. Die Arbeitstage in der Arktis sind schwer planbar. „Wir sind vom Wetter abhängig, und das ändert sich schnell. Jeden Morgen sitzen wir zu- sammen und bewerten neu, ob wir die geplanten Arbeiten angehen können“, sagt der AWI-Forscher. Ganz oben auf der Packliste für die Arktis: gute Kleidung, die vor Kälte und Wetter aller Art schützt. Die arktische Sommersonne scheint lang, noch der letzte Funke Tageslicht wird für Labor- arbeiten genutzt. Über die Jahre hat Hugues Lantuit nicht nur geforscht, sondern auch Methoden zur Bärenabwehr trainiert, Boote repariert und „gute Stimmung unter Behörden und lokale Entschei- Erfahren Hugues Lantuit hat zahlreiche Arktisexpeditionen geleitet und koordiniert das EU-Projekt Nunataryuk. Bild: Dylan Reibling

dungsträger gebracht“, berichtet sein Team. Mit Erfolg für das Projekt Nunataryuk, das auf genau diesen langjährigen Partnerschaften aufbaut. Wie verbreiten sich Anthrax-Erreger, die im Perma- frost eingeschlossen waren? Welche Krankheiten treten auf, weil die Wasserinfrastruktur leidet? Welche Folgen hat es, dass Quecksilber freigesetzt wird? Gibt es Auswirkungen auf Meerestiere? Solche Forschungsfragen entstanden in Zusam- menarbeit mit den Menschen vor Ort. Ähnliches in einem kurzen Dreijahresprojekt zu erreichen, hält Hugues Lantuit für „vollkommen unrealistisch“. Gastfreundlich seien die Aklaviker, ja, „dennoch braucht es Zeit, wirklich Vertrauen zu gewinnen – das ist nicht anders als in kleinen Dörfern in Deutschland“, sagt der Geowissenschaftler. „Und es ist dieser Austausch mit den lokalen Stake- holdern, der das Projekt für mich so wertvoll macht.“ Der Dialog werde geführt, „bis alle happy sind“. Nicht nur während der Arbeitsphasen im Feld, sondern auch per Telefon und Facebook im restlichen Jahr. „Wir tun nicht etwas ‚für die Inuit‘, sondern arbeiten miteinander.“ „Die Menschen hier wissen um die Gefahren und die Bürgermeister machen auf ihre Themen aufmerksam. Mir fällt auf, wie bevormundend wir in Europa manchmal sind. Zum Teil existiert ja immer noch das Bild von in Iglus lebenden Menschen – die Realität sieht anders aus: funkti- onierende Infrastruktur, Internet, gut organisierte Gemeinden. Wir tun nicht etwas ‚für die Inuit‘, sondern arbeiten miteinander. Wir nutzen das Wissen der Älteren, um die Bedeutung der Verän- derung zu verstehen, und wir lernen von ihnen über das Land und die Landschaft.“ Wenn es nach Hugues Lantuit ginge, gäbe es viel mehr Projekte wie Nunataryuk. Wenn im hohen Norden doch mal Feierabend ist, genießt BILDERGALERIE Mehr Ausgaben von „Helmholtz weltweit“ und Bildergalerien gibt es unter: www.helmholtz.de/ weltweit der Forscher das Campleben: Zeit mit den Park- Rangern verbringen, Karten spielen, Geschichten austauschen. Manchmal fangen die Ranger See- saibling, der geräuchert oder gemeinsam gegrillt wird – eine Abwechslung zur vorgekochten Tief- kühlkost. Selten steht auch gegrilltes Karibu auf dem Speiseplan; es ist eine besondere Tradition, dass die jungen Jäger diese Rentierart jagen. Ins- gesamt hat Hugues Lantuit rund eineinhalb Jahre im Norden Kanadas verbracht. Vor allem berühren ihn die Wiedersehen mit Menschen, die er nun schon seit vielen Jahren kennt und deren Heimat extremen Veränderungen ausgesetzt ist. „Natürlich können wir nur bedingt Lösun- gen bieten, aber wir können mit unseren Daten die Veränderungen ökonomisch und soziologisch besser einordnen.“ Gerade wurde etwa eine neue Karte zu Permafrostvorkommen im Meeresboden veröﬀ entlicht. Erstmals soll es eine Datenbank zu Quecksilbervorkommen in Permafrostböden geben und auch einen sozioökonomischen Atlas, der zeigt, wie viele Menschen wo auf Permafrost leben. „Solche Zahlen hatte niemand vorher“ – Hugues Lantuit hoﬀ t, dass sie es erleichtern, auf politischer Ebene Gehör zu ﬁ nden. Als Familienvater ist er heute weniger unterwegs als noch vor einigen Jahren, aber sobald wie mög- lich soll es für den Forscher wieder nach Aklavik und Herschel Island gehen. Und: „Die Zusammenarbeit muss auch nach dem Projekt wei- tergehen“, steht für ihn fest. „Wir können nicht mehr so forschen wie noch vor einigen forschen wie noch vor einigen Jahren – hinfahren, Ergeb- nisse sammeln und einfach wieder wegfahren.“  Kristine August Weggebrochen Der Verlust von Meereis beschleunigt das Auftauen von Permafrostböden und führt langfristig zu Küstenerosion. Bild: Vincent Sasseville Nunataryuk . . . ... untersucht, wie sich das Auftauen von Küsten- und Unterwasser- Permafrost auf das globale Klima auswirkt, und entwickelt gemeinsam gezielte Anpassungs- und Abmilderungsstrategien für die arktische Küstenpopulation. Das EU-Projekt ermöglicht Forschung die arktische Küstenpopulation. Das EU-Projekt ermöglicht Forschung und Dialog über Grenzen hinweg: Beteiligt sind 28 Partner aus Belgien, und Dialog über Grenzen hinweg: Beteiligt sind 28 Partner aus Belgien, Dänemark, Deutschland, Frankreich, Island, Italien, Kanada, den Niederlanden, Norwegen, Österreich, Portugal sowie Schweden. Es hat eine Laufzeit von fünf Jahren und endet im Oktober 2022. P e r m a f r o s t a u f d e r N o r d h a l b k u g e l ( t e r r e s t r i s c h = o r a n g e - b r a u n , m a r i n = t ü r k i s ) . G r a ﬁ k : G R I D - A r e n d a l Ü b e r s i c h t Helmholtz Perspektiven 01/2020 3 9 3 9

P O R T R ÄT Im Bergwerk der Daten Seit ihrer Kindheit in China ist Xiaoxiang Zhu fasziniert vom All. Jetzt hat die Datenwissenschaftlerin ihren Traumjob gefunden: Am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) analysiert sie gewaltige Informationsmengen, die von Satelliten zur Erde gesendet werden. An eines der Studentenprojekte kann sich Xiaoxiang Zhu noch lebhaft erinnern: Im Jahr 2007 muss es gewesen sein, die Chinesin war erst seit einigen Monaten in Deutschland und ihr Professor stellte sie vor eine Aufgabe, die ihren weiteren Werdegang prägen sollte. „Ich war mit vier Kommilitonen im Team und wir sollten eine Satellitenmission entwickeln“, erinnert sich die heute 35-Jährige, der die Faszi- nation für die damalige Aufgabe noch heute anzu- merken ist: „Ausdrücklich sollten wir alle Details durchdenken – von den Sensoren des Satelliten bis zum gesamten IT-System dahinter.“ Es war, als würde sich ein Kreis schließen im bisherigen Leben von Xiaoxiang Zhu. Rund andert- halb Jahrzehnte vorher, als sie noch Grundschüle- rin war in der Provinz Hunan im Südosten Chinas, sah sie bei ihrem Vater ein Foto der Erde, aufge- nommen aus dem Weltall. „Diese blaue Kugel, so friedlich, so schön – das hat mich fasziniert“, sagt Xiaoxiang Zhu. Ihr Vater ist Mathelehrer und un- terstützte seine Tochter dabei, sich in jene Gebiete zu vertiefen, die sie spannend fand. Mathematik und Naturwissenschaften zählten dazu, und früh kam bei ihr der Ehrgeiz dazu: „Das sind genau die Disziplinen, wo viele denken, dass Männer darin besser seien. Mich hat es ungemein angespornt zu zeigen, dass auch wir Frauen auf diesen Gebieten etwas leisten können“, sagt sie. Dieses Foto der Erdkugel hat sie nie vergessen und als sie dann später als Studentin an der Technischen Univer- sität München selbst vom Seminarraum aus zu Übungszwecken eine Satellitenmission konzipie- ren sollte, dachte sie wieder zurück an diese frühe Kindheitserinnerung. Heute ist der Blick aus dem Weltall auf die Erde längst zu ihrem Berufsalltag geworden: Xiaoxiang Zhu leitet am Institut für Methodik der Fernerkundung am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die Abteilung Earth Observation Data Science. Zugleich hat sie an der 4 0 Helmholtz Perspektiven 01/2020 TU München den Lehrstuhl für Signalverarbeitung in der Erdbeobachtung inne; als sie 2015 ernannt wurde, war sie mit ihren damals 30 Jahren eine der jüngsten Professorinnen in ganz Deutschland. Wenn sie über ihre Forschung erzählt, mischen sich immer wieder englische Begriﬀ e in ihr hervorragendes Deutsch, das sie in ihren inzwischen fast 14 Jahren in München gelernt hat. Über ihre „science questions“ spricht sie und darüber, wie sie mit Satellitendaten die „popula- tion density“ in bestimmten Bereichen der Erde ermitteln kann; zugleich erzählt sie begeistert auf Deutsch von einer „maßgeschneiderten“ Methodik zur Verarbeitung von gewaltigen Datenmengen. Die Fachbegriﬀ e aus zwei Sprachen mischen sich bei ihr ebenso wie die vielen verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen, die sie in ihrer 45-köpﬁ gen Forschungsgruppe vereint: Experten für künstliche Intelligenz sind dabei, Informatiker mit Schwerpunkt auf Data Science, Mathematiker und Wissenschaftler, die so wie sie selbst einen Hintergrund aus der Raumfahrttechnik haben. Mit ihrem Team arbeitet sie unter anderem an der Kartierung von Städten. „Viele der weltwei- ten Migrationsströme vom Land in die Stadt enden in Slums und wenn man dort wirklich etwas verbessern möchte, braucht man zuerst bessere Informationen“, erläutert sie die Hintergründe – denn gerade in Schwellenländern mit rasant wach- senden Megacities fehlt es oft an Daten über die Bevölkerungsentwicklung. Im indischen Mumbai zum Beispiel entstehen oft Brände, weil Strom- kabel unterdimensioniert oder falsch verlegt sind; Informationen über den tatsächlichen Bedarf sind deshalb entscheidend. Wie aber lassen sich diese Daten gewinnen? Xiaoxiang Zhu nimmt optische Daten von Satelli- ten, um die Umrisse von Gebäuden zu erkennen; Radardaten wiederum helfen, die Höhe der Häuser abzuschätzen. Das reicht schon einmal aus, um ein 3-D-Modell zu erstellen. Komplizierter wird

P O R T R ÄT München in 3-D Xiaoxiang Zhu kartiert Städte mithilfe satellitengestützter Erdbeobachtung, künstlicher Intelligenz und Social Media. Bild: DLR/TU München, Xiaoxiang Zhu es allerdings, wenn es um die Einschätzung geht, ob es sich um Büro- und Werkstatthäuser oder um Wohnräume handelt. Dazu bezieht die Münchner Forscherin mit ihrem Team auch anonymisierte Social-Media-Nachrichten ein: „Wir wissen bei- spielsweise, dass in einem Wohngebäude morgens und abends viele Tweets versendet werden, in einem Bürogebäude hingegen vor allem tagsüber“, sagt sie. Um dieser gewaltigen Datenberge Herr zu werden, ist vor allem das nötig, was Xiaoxiang Zhu als „Information Mining“ bezeichnet: mit KI-Algorithmen herauszuﬁ nden, welches die rele- vanten Informationen sind und was sich aus ihnen ableiten lässt. Das ist Big Data pur: Bis zu zehn Petabyte an Daten werden dafür analysiert. Dass sie ihre Professur gerade in München angetreten hat, verdankt sie einem Zufall: Ihren Bachelor machte Xiaoxiang Zhu in China, zu Deutschland hatte sie keinen Bezug. „Aber mein damaliger Freund plante zu dieser Zeit, nach Deutschland zu gehen, und ich habe nach Recher- chen herausgefunden, dass es an der Technischen Universität München einen englischsprachigen Masterstudiengang gibt, der genau auf mein Proﬁ l passt“, erzählt sie. Kurzerhand schrieb sie der Vizepräsidentin, und schnell war man sich einig: Die talentierte junge Studentin, die in China schon während ihres Bachelor-Studiums der Luft- und Raumfahrttechnik den zweiten Platz in einem internationalen Mathematikwettbewerb gewonnen hatte („nichts Besonderes“, sagt sie achsel- zuckend: „Es ging darum, den Fahrplan für alle Busse einer Stadt durch mathematische Modellie- www ONLINE Mehr Porträts ﬁ nden Sie hier: www.helmholtz.de/ portraits 4 2 Helmholtz Perspektiven 01/2020 rung zu optimieren“), bekam den Studienplatz – und betrat so im September 2006 zum ersten Mal deutschen Boden. „Genau genommen“, fügt sie an, „war es sogar mein erster Aufenthalt außer- halb Chinas.“ Sie staunte über die Großstadt, die trotz allem so anders aussah als die chinesischen Riesenstädte, die sie kannte, und fühlte sich gleich wohl. München ist für sie eine Stadt im Wald, in der Nähe der Berge, voller sozialer Aktivitäten und mit liebenswerten Menschen. In München könne sie ihren Frieden ﬁ nden, sagt sie. Und vor allem: Xiaoxiang Zhu stürzte sich ins Studium, das in Deutschland gänzlich anders ablief, als sie es aus China kannte: „Mehr Hands- on-Experimente“, erklärt sie in ihrer Mischung aus Deutsch und Englisch und berichtet fasziniert von einer Vorlesung bei Richard Bamler, dem Direktor des Instituts für Methodik der Fernerkundung des DLR. Damals war er an der Entwicklung des deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X beteiligt und schwärmte seinen Studenten von der Aufgabe vor; er trug sogar in der Vorlesung ein T-Shirt mit dem Logo der Mission – so viel Begeisterung steckt an. Xiaoxiang Zhu krempelte die Ärmel hoch: 2011 Promotion, 2013 Habilitation, 2015 Professur, 2016 Aufnahme in die Leopoldina und das Junge Kolleg der Bayerischen Akademie der Wissenschaf- ten, seit 2018 Abteilungsleiterin am DLR. Jetzt pen- delt sie zwischen dem DLR-Standort in Oberpfaf- fenhofen und der TU München, dazwischen ist sie oft in den Bergen beim Skifahren oder Wandern. Und manchmal denkt sie an das Leben, das sie hätte, wenn sie sich nicht frühzeitig der Wissenschaft verschrieben hätte. „Ich wäre total gern auch Fotograﬁ n geworden, dann würde ich Reise- und Landschaftsfotos machen für National Geographic oder ähnliche Magazine – das würde mir auch Spaß machen“, ruft sie mit Begeisterung und zieht ihr Handy heraus. Auf dem Bildschirm ist ein Foto vom Institutsgebäude bei Sonnenauf- gang, „das ist jetzt zwei oder drei Wochen her“, sagt sie. Und dann sind da natürlich die Fotos von ihrer letzten großen Reise, im norwegischen Tromsø war sie, mit der Kamera auf den Spuren der Polarnacht. „So viele digitale Fotos“, seufzt Xiaoxiang Zhu: „Bis man die alle richtig erfasst und so spei- chert, dass man sie wiederﬁ ndet!“ Einen kurzen Moment stockt sie, dann lacht sie auf: Schon ist sie von ihrem Fotografentraum wieder zurück bei ihrem großen Thema als Wissenschaftlerin – beim Umgang mit den digitalen Datenbergen.  Kilian Kirchgeßner

K L E I N E F O R S C H E R Elektrisch leitfähige Knete Du möchtest Elektronikexperimente machen? Dann ist selbst gemachte leitfähige Knete genau das Richtige für dich: Sie ist Kunst, Kabel und Steckbrett in einem und du kannst sie ganz einfach in allen Farben herstellen. Das brauchst du: So wird's gemacht: 130 ml 130 ml 130 ml Zitronensaft Zitronensaft Zitronensaft Zitronensaft 360 g Mehl 360 g Mehl kochLöffel kochLöffel 15 ml Pflanzenöl schneebesen 240 ml 240 ml 240 ml wasser schüssel schüssel schüssel 60 g Salz handschuhe handschuhe handschuhe Lebensmittelfarbe Lebensmittelfarbe Lebensmittelfarbe Lebensmittelfarbe Lebensmittelfarbe Lebensmittelfarbe Lebensmittelfarbe Lebensmittelfarbe Lebensmittelfarbe Lebensmittelfarbe Lebensmittelfarbe Erklärung: 1. Mische ⅔ des Mehls mit Wasser, Salz, Zitronensaft, Pﬂ anzenöl und Lebensmittelfarbe in einer feuerfesten Schüssel oder einem Topf. 2. Erwärme nun die Mischung bei mittlerer Hitze auf einer Kochplatte und rühre ununterbrochen um. Die Masse wird mit der Zeit dick- ﬂ üssiger und es bilden sich Klümpchen – wie bei der Zubereitung eines Kuchenteigs. 3. Rühre kräftig immer weiter, bis sich aus der Teigmischung ein Ball formen lässt. Achtung: Die Knete ist sehr heiß! Lasse den Teig auf einer mit Mehl bestäubten Arbeitsﬂ äche etwas abkühlen. 4. Knete dann mit der Hand weiter und füge so viel Mehl hinzu, bis die gewünschte Konsistenz erreicht ist. Deine leitfähige Knete ist fertig! Bewahre sie in einem luftdichten Gefäß auf. Nach dem gleichen Prinzip kannst du nichtleitfähige Knete herstellen, indem du Zitronensaft und Kochsalz weglässt. 5. Mit den Knetmassen, einer Blockbatterie, Leuchtdioden und Kabeln kannst du nun Figuren mit glühenden Augen oder leuchtenden Lämpchen bauen. Die nichtleitfähige Knete kannst du dabei als isolierende Schicht zwischen der leitfähigen Knete einsetzen. Ob ein Stoﬀ elektrisch leitfähig ist oder nicht, hängt von der Verfügbarkeit beweglicher Ladungsträger ab. Wässrige Lösungen haben eine geringe Leitfähigkeit. Sie steigt, wenn man dem Wasser Ionen, also Salze, Säuren oder Basen, hinzufügt – in unserem Fall also Zitronensaft und Kochsalz. 4,5 Volt VIDEO ONLINE Schau dir Experimente als Video an unter: Mehr über die Schülerlabore unter: www.helmholtz.de/experiment www.helmholtz.de/schuelerlabore DLR_School_Lab TU Dresden Technische Sammlung Dresden Junghansstr.1–3, 01277 Dresden Tel.: +49 351-4887207 E-Mail: dlr.school.lab@tu-dresden.de www.dlr.de/schoollab/tu-dresden Helmholtz Perspektiven 01/2020 4 3