das Jahr 2024 geht zu Ende und wir blicken zurück auf prägende Ereignisse aus der Gemeinschaft. Manche sind überraschend, andere sind ermutigend, und wiederum andere machen nachdenklich. Alle haben jedoch gemeinsam, dass hinter ihnen Talente aus der ganzen Welt stehen, die bei Helmholtz unermüdlich daran gearbeitet haben, die Grenzen des Machbaren zu verschieben. Wir haben 10 dieser besonderen Ereignisse aus dem Jahr in einem Rückblick zusammengestellt. Eines davon wurde erst wenige Stunden vor Redaktionsschluss bekannt: Der Haushaltsausschuss hat die Mittel für den Bau des neuen Eisbrechers Polarstern freigegeben. Es sind Nachrichten wie diese, die uns als Forschungsorganisation Zuversicht für das kommende Jahr geben.

Wir wünschen Ihnen frohe Feiertage und viel Spaß beim Lesen!

Otmar Wiestler sendet zum Jahresende einen Weihnachtsgruß an die Mitarbeiter:innen der Helmholtz-Gemeinschaft. Videobotschaft ansehen

Die Helmholtz Investigator Groups bieten internationalen Spitzentalenten frühe wissenschaftliche Unabhängigkeit. Helmholtz fördert bis zu neun Gruppen. Deadline für die Einreichung der Anträge durch die Helmholtz-Zentren an die Helmholtz-Geschäftsstelle ist der 30. April 2025. Zur Ausschreibung

Wer unter 1.000.000 Molekülen jene herausfinden will, die als Leiter positiver Ladung Perowskit-Solarzellen besonders effizient machen, muss diese Million Moleküle herstellen und testen. Oder man geht so vor, wie es Forschende rund um Pascal Friederich vom KIT und Christoph Brabec vom Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg (HI ERN) getan haben. „Mit nur 150 gezielten Experimenten konnte ein Durchbruch erzielt werden, der sonst Hunderttausende von Tests erfordert hätte. Der entwickelte Workflow eröffnet neue Möglichkeiten für die schnelle und kosteneffiziente Entdeckung leistungsstarker Materialien in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern“, sagt Brabec. Mit einem der so entdeckten Materialien steigerten sie den Wirkungsgrad einer Referenz-Solarzelle um rund zwei Prozent auf 26,2 Prozent. „Dieser Erfolg zeigt, dass man bei der Entwicklung neuer Energiematerialien mit einer geschickten Strategie enorm Zeit und Ressourcen einsparen kann“, so Friederich.

Ausgangspunkt am HI ERN war eine Datenbank mit den Strukturformeln von rund einer Million virtueller Moleküle, die aus handelsüblichen Substanzen herstellbar wären. Von 13.000 dieser virtuellen Moleküle, nach dem Zufallsprinzip ausgelesen, berechneten die Forschenden am KIT mit etablierten quantenmechanischen Methoden Energieniveaus, Polarität, Geometrie und andere Merkmale. 

Aus diesen 13.000 Molekülen wählten die Forschenden wiederum 101 Moleküle aus, die sich in ihren Merkmalen möglichst stark unterscheiden. Diese wurden am HI ERN mithilfe eines Robotersystems automatisch hergestellt und in ansonsten baugleichen Solarzellen verwendet. Anschließend maßen die Forschenden deren Wirkungsgrad. „Für den Erfolg unserer Strategie war entscheidend, dass wir dank unserer hochautomatisierten Syntheseplattform wirklich vergleichbare Proben erzeugten und somit verlässliche Werte für den Wirkungsgrad ermittelten“, sagt Christoph Brabec, der die Arbeiten am HI ERN leitete. 

Mit den erzielten Wirkungsgraden und den Merkmalen der zugehörigen Moleküle trainierten die Forschenden des KIT ein KI-Modell. Das Modell schlug dann weitere 48 Moleküle zur Synthese vor, basierend auf zwei Kriterien: ein zu erwartender hoher Wirkungsgrad und unvorhersehbare Eigenschaften. „Wenn sich das Machine-Learning-Modell bei der Prognose des Wirkungsgrades unsicher ist, lohnt es sich, das Molekül herzustellen, um es näher zu untersuchen“, erklärt Pascal Friederich das zweite Kriterium. „Es könnte mit einem hohen Wirkungsgrad überraschen.“ 

Tatsächlich ließen sich mit den von der KI vorgeschlagenen Molekülen überdurchschnittlich effiziente Solarzellen bauen, darunter auch solche, die modernste andere Materialien übertreffen. „Wir können nicht sicher sein, wirklich das Beste unter einer Million Moleküle gefunden zu haben, aber wir sind ganz gewiss nahe am Optimum“, sagt Friederich.

Die Forschenden können die Molekülvorschläge der KI in gewissem Ausmaß nachvollziehen, da die verwendete KI angibt, welche Merkmale der virtuellen Moleküle für ihre Vorschläge ausschlaggebend waren. Es zeigte sich, dass sich die KI-Vorschläge teilweise auch auf Merkmale stützten, die Chemiker bisher weniger beachtet hatten, zum Beispiel das Vorhandensein bestimmter chemischer Gruppen wie Amine.

Christoph Brabec und Pascal Friederich sind überzeugt, dass ihre Strategie vielversprechend für die Materialforschung auch in anderen Anwendungsbereichen ist oder auf die Optimierung ganzer Bauelemente ausgeweitet werden kann.

Zur Pressemeldung des KIT

Sprunghafter Anstieg der Erderwärmung ist maßgeblich auf geringere Rückstrahlkraft des Planeten zurückzuführen
Steigende Meeresspiegel, schmelzende Gletscher, Hitzewellen in den Meeren – 2023 hat in vielerlei Hinsicht alarmierende Rekorde aufgestellt. Auch die globale Durchschnittstemperatur verzeichnete mit einem Anstieg auf fast 1,5 Grad Celsius gegenüber dem vorindustriellen Niveau einen neuen Höchstwert. Die Suche nach den Ursachen dieses sprunghaften Anstiegs stellte Forschende vor ein Rätsel. Denn betrachtet man die Wirkung menschengemachter Einflüsse wie die Ansammlung von Treibhausgasen in der Atmosphäre, vom Wetterphänomen El Niño sowie von Naturereignissen wie Vulkanausbrüchen, lässt sich zwar ein Großteil der Erwärmung nachvollziehen. Jedoch gibt es eine Lücke von etwa 0,2 Grad Celsius, die bisher nicht richtig erklärt werden konnte. Ein Team um das Alfred-Wegener-Institut hat nun in der Online-Ausgabe des Fachjournals Science beschrieben, was den unerwartet hohen Anstieg der globalen Durchschnittstemperatur verursacht haben könnte: Unser Planet verliert sein Rückstrahlvermögen, weil ihm bestimmte Wolken fehlen. Mehr lesen

Long Covid: Ansammlung des SARS-CoV-2-Spike-Proteins mit dauerhaften Auswirkungen auf das Gehirn verbunden
Forschende von Helmholtz Munich und der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) haben einen Mechanismus identifiziert, der möglicherweise die neurologischen Symptome von Long Covid erklärt. Die Studie zeigt, dass das SARS-CoV-2-Spike-Protein in den schützenden Schichten des Gehirns, den Hirnhäuten, und im Knochenmark des Schädels bis zu vier Jahre nach der Infektion verbleibt. Diese dauerhafte Präsenz des Spike-Proteins könnte bei den Betroffenen chronische Entzündungen auslösen und das Risiko für neurodegenerative Erkrankungen erhöhen. Das Team unter Leitung von Prof. Ali Ertürk, Direktor des Instituts für Intelligente Biotechnologien bei Helmholtz Munich, stellte zudem fest, dass mRNA-Covid-19-Impfstoffe die Anreicherung des Spike-Proteins im Gehirn deutlich reduzieren. Das nach einer Infektion verbleibende Spike-Protein in Schädel und Hirnhäuten eröffnet einen neuen therapeutischen Ansatz. Mehr lesen

Foto: KIT, Amadeus Bramsiepe

Elija Bleher ist promovierte Biologin und leitet das IFU Graduate Program am Institut für Meteorologie und Klimaforschung, dem Campus Alpin des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) in Garmisch-Partenkirchen. Als Talentmanagerin berät sie dort Promovierende und Postdocs bei Karrierefragen.

Die Begegnungen mit jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die mit Anliegen wie Karriereberatung, in Konfliktsituationen oder persönlichen Herausforderungen zu mir kommen, empfinde ich als großes Geschenk. Dabei erfahre ich oft viel mehr als nur ihr Forschungsthema – da scheint der Mensch in all seinen Facetten auf. Mein Ansatz ist vielleicht etwas unkonventionell, aber ich bin überzeugt, dass mein Da-Sein, mein Zuhören und die Zeit, die ich mir für sie nehme, ihnen hilft, ihren wissenschaftlichen Karriereweg zu finden. Ebenso bereichernd ist die Zusammenarbeit mit den Kolleginnen und Kollegen im Talentmanagement, sei es in zentrenübergreifenden Arbeitsgruppen oder bei Treffen zur Karriereentwicklung. Die Kolleginnen und Kollegen aus dem Helmholtz-Netzwerk teilen meine Leidenschaft für diesen Beruf, und gemeinsam gehen wir mit viel Kreativität und gegenseitiger Unterstützung an unsere Aufgaben heran.

Mir fallen gleich zwei spannende Projekte ein: 1. zusammen mit Kolleginnen und Kollegen zentrenübergreifend ein Career-Tracking-Programm aufzubauen, um herauszufinden, welche Karrierewege (vor allem auch außerakademische) unsere Promovierenden und Postdocs einschlagen, was ihnen dabei als Karrierevorbereitung geholfen hat bzw. was da noch zu verbessern wäre. 2. Ich würde gerne ein Cross-over wagen: eine Woche lang mit einer Gruppe junger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf ein Retreat gehen und gemeinsam meditieren. Gerade für Menschen, die an gesellschaftlich relevanten und medial intensiv diskutierten Themen wie der Klimaforschung arbeiten, halte ich es für essenziell, sich selbst gut zu kennen und mit sich im Einklang zu sein.

Ich würde mich gerne mit Teresa von Ávila, einer Mystikerin, Schriftstellerin und Reformerin die von 1515 bis 1582 gelebt hat, für ein Abendessen verabreden und sie fragen wollen, wie sie es geschafft hat, ihre für ihre Zeit durchaus provokanten Gedanken zu formulieren, und dabei von der Inquisition verschont zu bleiben. Außerdem würde mich interessieren, wie sie 17 Klöster gründen, etwa 25.000 Briefe und mehrere Bücher schreiben konnte - all das in einem von starker Verbundenheit mit einer göttlichen Dimension geprägten Leben. Ich glaube, ihre Einsichten könnten auch uns heute viel darüber lehren, wie wir in einer hektischen Welt eine innere Ruhe finden und diese bewahren.

Nun steht sie also wieder an, die besinnliche Weihnachtszeit (aus dem Lateinischen „religio“ für besinnen) und die Zeit „zwischen“ den Jahren. Doch wir wissen, mit der Zeit ist das so eine Sache. Physikalisch betrachtet ist sie recht eindimensional. Und trotzdem gibt sie Rätsel auf. „Wenn mich niemand danach fragt, weiß ich es. Will ich es einem Fragenden erklären, weiß ich es nicht“, sagte der Kirchenmann Augustinus über die Zeit. Für Newton war die Zeit absolut. Seit Einstein hat jedes Bezugssystem (die Erde, der Fahrstuhl, ein Satellit) eine eigene Zeit. Fest steht: Die Zeit vergeht, und zwar nur in eine Richtung. Dank Hermann von Helmholtz wissen wir, dass Energie nicht erzeugt, sondern lediglich von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Eine Reise zurück in der Zeit, sozusagen in die Vergangenheit, würde den Energiesatz verletzen. Es geht also nur vorwärts in der Zeit.

Obwohl es eine Vergangenheit gibt und bestimmt auch eine Zukunft, kennen und erleben wir jedoch nur die Gegenwart. Nach dem Mathematiker Hermann Minkowski ist es in Anspielung auf die Einstein’sche Relativitätstheorie nicht zulässig, Raum und Zeit voneinander zu trennen, weshalb er stattdessen von der Raumzeit spricht: „Von Stund’ an sollen Raum für sich und Zeit für sich völlig zu Schatten herabsinken und nur noch eine Art Union der beiden soll Selbständigkeit bewahren.“ Interessanterweise lässt sich die Zeit in periodisch wiederkehrenden Ereignissen (Schwingungen, Drehungen, Umkreisungen) physikalisch eliminieren. Die Schwingungen eines Fadenpendels beispielsweise lassen sich allein durch die Länge des Fadens und die Erdbeschleunigung eindeutig bestimmen. Auch in der Quantenmechanik gibt es Gleichungen, in denen die Zeit gar keine Rolle spielt, denken wir beispielsweise an die zeitunabhängige Schrödingergleichung. 

Das liefert das Stichwort für einen Rückblick sowie Ausblick auf das kommende Jahr: Denn die von Planck, Einstein und Bohr angestoßene Quantentheorie erreichte vor bald 100 Jahren im Jahr 1925 mit der Entwicklung der sogenannten Quantenmechanik durch Schrödinger, Heisenberg, Born und andere einen historischen Meilenstein. Ähnlich wie schon die zuvor formulierte Relativitätstheorie sollte auch die Quantenmechanik unseren Blick auf die Welt revolutionieren und das Fundament liefern für die moderne Elektronik, die Informations- und Computertechnologien, die „zurzeit“ durch Innovationen im Bereich der Quantenmaterialien einen neuerlichen Schub erfahren. Schlüsselbegriffe wie Welle-Teilchen-Dualismus, Superposition, Quantisierung von Zuständen, Unschärferelation oder Nicht-Lokalität fliegen uns damals wie heute um die Ohren.

Die gänzlich von Neugier getriebene Quantenforschung – Grundlagenforschung par excellence – brachte ganz erstaunliche Ergebnisse zum Vorschein, was die Vereinten Nationen bewogen hat, das Jahr 2025 zum „Internationalen Jahr der Quantenwissenschaft und -technologie“ auszurufen. Auch wir werden in unserem Newsletter das Jahr mit Beiträgen zu dieser Forschung aus der Helmholtz-Gemeinschaft begleiten. Freuen Sie sich darauf! In diesem Sinne, Ihnen und uns allen eine besinnliche Weihnachtszeit, einen guten Rutsch ins neue Jahr und: eine entspannte Auszeit...

„Guter Fisch“ zum Weihnachtsfest: Umweltverbände, Verbraucherzentralen und das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung haben eine aktuelle Version von „Die-Guter-Fisch-Liste“ herausgegeben. Das Fazit: Für Konsumenten wird es zunehmend schwieriger, nachhaltig gefangenen Fisch zu kaufen. Die dpa berichtet. 

Forschungssicherheit: Die Sorge vor ungewolltem Wissensabfluss und Wissenschaftsspionage nimmt in Zeiten geopolitischer Veränderungen zu. In einem internationalen Forschungsumfeld, das für die Bewältigung globaler Herausforderungen wie Pandemien oder dem Klimawandel unerlässlich ist, geraten Wissenschaftsinstitutionen und Forschende in Deutschland zunehmend unter Druck. Effrosyni Chelioti, Leiterin des Bereichs Kommunikation und Außenbeziehungen und stellvertretende Geschäftsführerin der Helmholtz-Gemeinschaft, stellt im Security.Table Maßnahmen vor, wie sich Forschungssicherheit stärken lässt, ohne dabei internationale Kooperationen oder die Wissenschaftsfreiheit zu gefährden.

Treibhausgasemissionen: Im Interview mit der taz erklärt Tina Sanders, Wissenschaftlerin in der Abteilung Aquatische Nährstoffkreisläufe am Helmholtz-Zentrum Hereon, warum die Elbe eine starke Treibhausgasquelle ist. Zuletzt zeichnete sich diese im Raum Hamburg durch eine besonders geringe Sauerstoffsättigung sowie eine erhöhte Konzentration an Treibhausgasen wie Methan und Lachgas aus.

Wasserstoffproduktion: Wasserstoff gilt generell als Schlüssel für das Energiesystem der Zukunft. Um diesen zu gewinnen, wird Wasser mithilfe von Strom in Sauerstoff und Wasserstoff gespalten. Für diesen Vorgang der Elektrolyse waren bislang Membrane aus gesundheitsschädigenden PFAS, auch bekannt als Ewigkeitschemikalien, nötig. Die FAZ berichtet über den Erfolg einer Forschungsgruppe vom Forschungszentrum Jülich, PFAS-freie Membrane für die Elektrolyse zu entwickeln.  

Plastikforschung: Im Interview mit dem Tagesspiegel erklärt Annika Jahnke vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ), wie Plastik nicht nur die Umwelt verschmutzt und den Klimawandel befördert, sondern auch die Biodiversität sowie die Gesundheit gefährdet. Auf der Plastikkonferenz in Busan hat Annika Jahnke die deutsche Delegation beraten. Von der Politik fordert sie, die Primärproduktion von Plastik zu deckeln, Einwegprodukte aus Plastik zu regulieren und Produkte aus Plastik mit einem hohen Anteil an gefährlichen Chemikalien zu ersetzen.  

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Herausgegeben von: Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V., Anna-Louisa-Karsch-Str.2, 10178 Berlin

Redaktion: Sebastian Grote, Franziska Roeder, Martin Trinkaus
Fragen an die Redaktion senden Sie bitte an monthly@helmholtz.de

Bilder: Phil Dera (Editorial)

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