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Datensicherheit der Zukunft gefährdet durch Quantencomputer – aber es gibt Lösungen

Computer, TV, Medien
(KIT) – Das Problem: „Die rasanten Fortschritte bei der Entwicklung von Quantencomputern sind eine Bedrohung für die Datensicherheit und verschlüsselte Kommunikation“, sagt Laurent Schmalen, Professor am Institut für Nachrichtentechnik des KIT. „Denn die gebräuchlichen Verschlüsselungsverfahren basieren auf der Schwierigkeit, große Zahlen in ihre Primfaktoren zu zerlegen – also in Zahlen, die nur durch eins und sich selbst teilbar sind.“ Dieser Prozess sei für herkömmliche Computer extrem umständlich und zeitaufwendig, für Quantencomputer aber nicht, erklärt der Experte. „Und wer die Primfaktoren einer großen Zahl kennt, kann die Verschlüsselung brechen.“
Klassische Verfahren schützen vor Angriffen der Zukunft
Die Lösung: Quantenangriffe lassen sich dennoch mit klassischen Kryptografie-Verfahren abwehren, nämlich mit symmetrischer Verschlüsselung. Hierbei müssen beide Parteien vor dem Aufbau der verschlüsselten Verbindung einen virtuellen Schlüssel austauschen, um die übertragenen Daten später wieder decodieren zu können. Das ist zwar abhörsicher, bislang sind dafür aber komplizierte und teure Geräte notwendig. Jetzt haben die Forschenden hingegen lediglich herkömmliche Hardware eingesetzt: „Wir konnten den Quantenschlüsselaustausch mit Standardhardware aus der Glasfaserkommunikation durchführen, wie sie beispielsweise bei Glasfaseranschlüssen in Häusern und Wohnungen verwendet wird, und nicht mit kostspieligen Spezialgeräten“, sagt Schmalen. Dadurch sei binnen fünf Jahren ein flächendeckender Einsatz möglich. „So können wir das globale Telekommunikationsnetz abhörsicher machen.“
Erfolgreiche Demonstration
Am vergangenen Donnerstag, 27. März 2025, hat das Projektteam das Verfahren in Echtzeit an der Ludwig-Maximilians-Universität München demonstriert. Dabei wurde eine Videoübertragung über eine Glasfaser am Campus realisiert, die mit dem Quantenschlüsselaustausch geschützt war. Die Forschenden des KIT haben dafür neuartige Algorithmen zum Schlüsselabgleich entwickelt. Diese stellen sicher, dass beide Parteien, die eine verschlüsselte Verbindung aufbauen wollen, einen absolut identischen Schlüssel besitzen und dabei trotzdem die Verbindung abhörsicher ist. „Unsere neuen Algorithmen zum Schlüsselabgleich sind ein entscheidender Schritt, um abhörsichere Verbindungen zu gewährleisten. Sie passen sich dynamisch an wechselnde Bedingungen an und verhindern, dass Angreiferinnen und Angreifer Informationen aus dem Schlüsselaustausch gewinnen können“, erläutert Schmalen.
Tobias Fehenberger, Director R&D bei ADVA Network Security, ergänzt: „Das Projekt markiert einen bedeutenden Meilenstein in der Entwicklung quantensicherer Verschlüsselung. Durch die erfolgreiche Validierung eines modularen, leistungsstarken Systems beweist es, dass Quantensicherheit mit kommerziellen Komponenten und einer offenen Architektur praxistauglich eingesetzt werden kann.“
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) förderte das Projekt „Entwicklung hochperformanter Übertragungskomponenten für quantensichere Kommunikation über Glasfaserleitungen in Metro- und Weitverkehrsnetzen“ (DE-QOR) mit 3,4 Millionen Euro. Davon erhielt das KIT rund 350 000 Euro. Projektpartner neben dem KIT und der ADVA Network Security GmbH sind die Ludwig-Maximilians-Universität München, die Leibniz Universität Hannover sowie Microwave Photonics GmbH und Creonic GmbH. (mex)

Porsche: Abstieg mit Signalwirkung

Politik Gesellschaft

(Pioneer Briefing) Am 22. September verliert die Porsche AG ihren Platz im deutschen Leitindex Dax und rutscht in den Nebenwertindex MDax ab. Der einstige Börsenliebling ist zum Sorgenkind geworden.

Schon jetzt strebt Porsche-Chef Oliver Blume eine baldige Rückkehr in den Leitindex an:

Der Frankfurter Allgemeinen Zeitung sagte er, Porsche gehöre dank Marktkapitalisierung und Strahlkraft weiter zu den großen börsennotierten Unternehmen Deutschlands.

Die Zahlen:

  • Im ersten Halbjahr 2025 erzielte Porsche einen Umsatz von 18,2 Milliarden Euro, was einem Rückgang um 6,7 Prozent gegenüber dem Vorjahr entspricht.
  • Der operative Gewinn sank im gleichen Zeitraum um 67 Prozent auf rund eine Milliarde Euro, die Marge liegt nur noch bei 5,5 Prozent statt 15,7 Prozent im Vorjahr.
  • Die Marktkapitalisierung beträgt aktuell rund 40 Milliarden Euro, liegt damit etwa 60 Prozent unter dem Höchststand nach dem Börsengang 2022.

Die Gründe: Absatzschwäche bei E-Autos, ein schwacher China-Markt und US-Zölle belasten massiv. Hinzu kommen hohe Investitionen in neue Modelle, die kurzfristig auf die Rendite drücken. Auch die Abhängigkeit von China – über ein Drittel der Auslieferungen – macht Porsche anfällig. ETFs, die den Dax abbilden, müssen die Aktie nun verkaufen – zusätzlicher Druck.

Fazit: Der Dax-Rauswurf ist mehr als Symbolik – Porsche steht für die tiefe Margenkrise deutscher Premiumhersteller. Für Anleger bleibt die Aktie eine spekulative Wette auf ein Comeback von Luxus und E-Mobilität.

Roboter bewegt Objekte mit gesamtem Körper

Klassische Medizin

(pte) – Forscher des Toyota Research Institute haben den von Boston Dynamics zur Verfügung gestellten Roboter „Punyo“ darauf trainiert, große Objekte mit seinem gesamten Körper zu handhaben, ähnlich wie ein Mensch. Für diesen ist es ein Leichtes, etwas Schweres auf die Schulter oder eine große Kiste auf den Rücken zu hieven, vorausgesetzt er hat die Kraft dazu. Er nutzt nicht nur seine Hände, sondern auch andere Körperteile wie Oberarme, Hüfte und Oberschenkel als Stützen und Hebel.

Krug auf der Schulter

Punyo kann einen großen Wasserkrug auf seine Schulter befördern oder eine große Kiste anheben und festhalten. Um seine Bewegungen zu steuern, stützt sich der Roboter auf Rückmeldungen seiner weichen, druckempfindlichen Haut und seiner Gelenksensoren.

Schlüssel zum Erfolg sind die Weichheit seines Körpers und die Flexibilität seiner Gelenke. „Das Hinzufügen jeglicher Art von Anpassungsfähigkeit ist vorteilhaft und führt zur Steigerung der Erfolgsquote um durchschnittlich 206 Prozent“, so die Entwickler. Sie stellten Punyo kürzlich in der Fachzeitschrift „Science Robotics“ vor.

Viel Übung erforderlich

Darüber hinaus sind nur minimale Lernprozesse nötig, um Punyo seine ungewöhnlichen Fähigkeiten beizubringen. Die Forscher haben das sogenannte „example-guided reinforcement learning“ eingesetzt. In einer virtuellen Umgebung hat das Team ihm mit nur einer Demonstration gezeigt, was zu tun ist. Der Roboter übte dann selbstständig, bis er herausgefunden hatte, wie es funktioniert.

„Eine einzige ferngesteuerte Demonstration, die in einer Simulation aufgezeichnet wurde, reicht aus, um Strategien für stilisierte, kontaktreiche Bewegungen zu trainieren“, fügt das Team hinzu. Diese Technologie sei ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Entwicklung von Robotern, die den Alltag vieler Menschen erleichtern.

Sie können beispielsweise bei Umzügen große, unhandliche Gegenstände wie Möbel in die Wohnung schaffen oder schwere Pakete im Lager sicher und zuverlässig transportieren. Auch im Pflegebereich seien sie hilfreich, um Menschen aus dem Bett zu heben und um sie zu waschen. Und die Roboter müssten nicht akribisch programmiert werden, da sie menschenähnliche Fähigkeiten anhand einer einzigen Demonstration erlernen, heißt es abschließend.

Astroteilchenphysik: Neutrinos sind leichter als 0,45 Elektronenvolt

Physik, Chemie, Technik
(KIT) – Das internationale KArlsruhe TRItium Neutrino Experiment (KATRIN) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) hat erneut Maßstäbe gesetzt: Aus den aktuellen Daten lässt sich eine Obergrenze von 0,45 Elektronenvolt/c2 (entspricht 8 x 10-37 Kilogramm) für die Masse des Neutrinos ableiten. Damit stellt KATRIN, das die Neutrinomasse mit einer modellunabhängigen Methode im Labor vermisst, erneut einen Weltrekord auf. Die Ergebnisse haben die Forschenden in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht
Neutrinos gehören zu den rätselhaftesten Teilchen des Universums. Sie sind allgegenwärtig, reagieren aber äußerst selten mit Materie. In der Kosmologie beeinflussen Neutrinos die Entwicklung großräumiger Strukturen, während sie in der Teilchenphysik aufgrund ihrer winzigen Masse als Indikatoren für bisher unbekannte physikalische Prozesse dienen. Die präzise Messung der Neutrinomasse ist daher essenziell für ein vollständiges Verständnis der fundamentalen Gesetze der Natur.
Genau hier setzt das KATRIN-Experiment mit seinen internationalen Partnern an. KATRIN nutzt den Beta-Zerfall von Tritium, einem instabilen Wasserstoffisotop, um mithilfe der Energieverteilung der entstehenden Elektronen die Neutrinomasse zu messen. Um dies zu erreichen, sind hochentwickelte technische Komponenten notwendig: Das 70 Meter lange Experiment beherbergt eine intensive Tritiumquelle sowie ein hochauflösendes Spektrometer mit einem Durchmesser von zehn Metern. Diese Technologie ermöglicht eine bislang unerreichte Präzision bei der Messung der Neutrinomasse.
Mit den aktuellen Daten aus dem KATRIN-Experiment konnten die Forschenden für die Neutrinomasse eine Obergrenze von 0,45 Elektronenvolt/c2 (das entspricht 8 x 10-37 Kilogramm) ableiten. Gegenüber den letzten Ergebnissen aus dem Jahr 2022 konnten sie die Obergrenze damit fast um einen Faktor zwei senken.
 
Auswertung der Daten
Die Qualität der ersten Datensätze seit dem Start der Messungen im Jahr 2019 konnte über die letzten Jahre kontinuierlich verbessert werden. „Wir haben fünf Kampagnen mit gut 250 Messtagen aus dem Zeitraum von 2019 bis 2021 analysiert – das entspricht etwa einem Viertel der insgesamt mit KATRIN erwarteten Datennahme“, erklärt Professorin Kathrin Valerius vom Institut für Astroteilchenphysik des KIT, eine der beiden Co-Sprecherinnen des Experiments. „In jeder Messkampagne haben wir dazugelernt und die experimentellen Bedingungen weiter optimiert“, ergänzt Professorin Susanne Mertens vom Max-Planck-Institut für Kernphysik (MPIK) und der Technische Universität München (TUM).
Die Auswertung der komplexen Daten stellte für das internationale Datenanalyseteam eine Herausforderung dar. „Die Analyse der KATRIN-Daten ist hochanspruchsvoll, da eine bisher noch nie erreichte Genauigkeit benötigt wird“, betont Dr. Alexey Lokhov vom Institut für Experimentelle Teilchenphysik des KIT, Co-Analysekoordinator. „Wir benötigen den Einsatz hochmoderner Analysemethoden, wobei insbesondere Künstliche Intelligenz eine entscheidende Rolle spielt“, fügt Dr. Christoph Wiesinger vom MPIK und der TUM, ebenfalls Co-Analysekoordinator, hinzu.
Ausblick auf künftige Messungen
 
„Unsere Messungen zur Neutrinomasse werden noch bis Ende 2025 andauern. Durch die kontinuierliche Verbesserung des Experiments und der Analyse, sowie durch eine größere Datenmenge erwarten wir eine noch höhere Sensitivität – und möglicherweise bahnbrechende neue Erkenntnisse“, blickt das KATRIN-Team optimistisch in die Zukunft. Schon jetzt führt KATRIN das weltweite Feld der direkten Neutrinomassenmessung an und hat mit den ersten Daten die Ergebnisse früherer Experimente um das Vierfache übertroffen. Das aktuelle Resultat zeigt, dass Neutrinos mindestens eine Million Mal leichter sind als Elektronen, die leichtesten geladenen Elementarteilchen. Diesen enormen Massenunterschied zu erklären, bleibt eine Herausforderung für die Theoretische Teilchenphysik.
Neben der präzisen Neutrinomassenmessung plant KATRIN bereits die nächste Phase. Ab 2026 wird ein neues Detektorsystem, TRISTAN, installiert. Dieses Upgrade des Experiments ermöglicht die Suche nach sogenannten sterilen Neutrinos im Kiloelektronenvolt/c2-Massenbereich. Sterile Neutrinos sind bisher hypothetische Elementarteilchen, die nochmals deutlich schwächer interagieren als die bekannten Neutrinos und geeignete Kandidaten für die Dunkle Materie sind. Darüber hinaus wird mit KATRIN++ ein Forschungs- und Entwicklungsprogramm initiiert, um Konzepte für ein Experiment der nächsten Generation zu erarbeiten, das eine noch präzisere direkte Messung der Neutrinomasse ermöglichen soll.

2025/04/12: Soest Fachhochschule Südwestfalen Experimente & Podiumsdiskussion

Pützmunter-Show Termine

„Pützmunter-Experimente-Show“ mit Jean Pütz

12.04.2025 | 13.15 Uhr | Audimax

Jetzt anmelden für die Pützmunter-Experiment-Show!

Die Plätze sind begrenzt! Hier besteht die Möglichkeit sich Tickets zu reservieren. Kartenreservierungen sind bis zum 11.04.2025 möglich. Reservierte Tickets bitte am Tag der Veranstaltung bis 45 Minuten vor Veranstaltungsbeginn am Infostand in Gebäude 11 abholen.

Hier geht’s zur Anmeldung

12.04.2025 | 16.15 Uhr | Audimax

Den Abschluss der Open Days bildet eine Podiumsdiskussion zum Thema „Umweltschutz und Wachstum müssen sich nicht ausschließen“. Prominente Experten und Wissenschaftler erörtern innovative Wege, um Umweltschutz und wirtschaftliches Wachstum in Einklang zu bringen. Mit dabei sind Jean Pütz (Wissenschaftsjournalist), Prof. Dr. Thomas Papenkort (Fachgebiet Energieversorgung), Jörg Malzon-Jessen (Unternehmenssprecher Infineon) und Prof. Dr. mult. Alexander Prange (Rektor Fachhochschule Südwestfalen). Moderiert wird die Diskussion von Dirk Hildebrand (Lopodio; früher: Radio Hellweg). Diese Gelegenheit sollte nicht verpasst werden!

Ohne Liberalismus keine Demokratie – Die FDP als Prügelknabe der ignoranten Koalition

Politik Gesellschaft

(Pioneer) – Im Feudalismus gab es für jeden heranwachsenden Prinzen einen Prügelknaben. Das war ein Junge niedrigeren Ranges, wie man damals sagte, der mit dem Prinzen gemeinsam aufwuchs und stellvertretend für den Prinzen geprügelt wurde, wenn dieser sich schlecht benahm.

Die Idee des Prügelknaben war es, den Prinzen zu bestrafen, ohne ihn körperlich zu züchtigen. Dadurch, dass der Prinz den Prügelknaben persönlich kannte, hoffte man, seine Empathie zu entwickeln sowie sein Verhalten zum Positiven zu beeinflussen.

Warum das wichtig ist: Im politischen Geschäft von heute hat der Prügelknabe überlebt. Der Unterschied: Es geht härter zu als im Feudalismus. Die Strafe wird vor Millionenpublikum verabreicht und das Mitgefühl hat sich über die Jahrhunderte auch verflüchtigt. Die Strategen der Parteien sprechen von der „Charakter-Attacke“, die darauf abzielt, die Reputation des Gegners zu zerstören.

So wird denn im Bundestag und in den TV-Studios mitleidlos drauflos geprügelt, derzeit vor allem auf den FDP-Vorsitzenden Christian Lindner.

Dabei hätte die eigentliche Strafe König Olaf verdient. In nur drei Jahren fuhr er seine Regierung vor die Wand und wird in allen Meinungsumfragen nach unten durchgereicht. Seine Geschichte ist auserzählt.

Sein bemitleidenswerter Zustand liegt weniger an der eisernen Sparsamkeit des ehemaligen Finanzministers Lindner, die er jetzt so hart kritisiert, als an der Selbstherrlichkeit von Scholz. Der hat sich als „cool“ und als „Respekt-Kanzler“ bezeichnet, um dann Friedrich Merz als „doof“ und den schwarzen Kultursenator von Berlin, Joe Chialo, auf einer privaten Party als „Hofnarr“ der CDU zu beleidigen.

Aber weil Scholz sich für seine gesammelten Respektlosigkeiten nicht selbst bestrafen kann und schon die Fähigkeit zur Selbstkritik bei ihm nicht sonderlich ausgeprägt ist, muss immer wieder der Prügelknabe Lindner ran.

Kurzerhand setzte der Kanzler den Minister vor die Tür. Lindner fehle „die sittliche Reife für ein Ministeramt“, und überhaupt sei er ein „Saboteur“ der Koalition, ging Scholz auf jenen Mann los, der ihm drei Jahre die Bücher geführt hat. Scholz ist nichts Positives aufgefallen, sagt er:

„Zu oft hat Bundesminister Lindner Gesetze sachfremd blockiert. Zu oft hat er kleinkariert parteipolitisch taktiert. Zu oft hat er mein Vertrauen gebrochen.

Auch Robert Habeck braucht dringlich den Prügelknaben, denn sein Sündenregister ist lang. Die Wirtschaft stagniert, die Arbeitslosigkeit steigt, und die wichtigste Konstante seiner Amtszeit waren die falschen Prognosen zum Wirtschaftswachstum.

So kam er auf die Idee, sich das fehlende Wirtschaftswachstum an den Kreditmärkten dazuzukaufen. Weil ihm das Bundesverfassungsgericht und die Schuldenbremse im Grundgesetz einen Strich durch die Rechnung machten, musste der Prügelknabe gerufen werden. Denn die hohen Richter konnte Habeck schließlich nicht angreifen.

Habeck sagte über seinen ehemaligen Kabinettskollegen Anfang des Jahres beim Hamburger Abendblatt:

„Es gehört auch dazu als Partei der demokratischen Mitte, dass man nicht nur verantwortungswillig, sondern auch verantwortungsfähig ist. Die FDP hat eindrucksvoll bewiesen, dass sie in dieser Aufstellung unter dieser Parteiführung nicht fähig zur Regierungsverantwortung ist. “

Und weil zwei Schläge besser sitzen als einer, schob er einen weiteren Hieb hinterher:

„Im Moment ist die FDP zu nichts zu gebrauchen. “

Anders als im Feudalismus, wo jeder Prinz seinen eigenen Prügelknaben besaß, wird Christian Lindner auch an verfeindete Machthaber weitergereicht. Als ob Friedrich der Große sich keinen eigenen Prügelknaben leisten könnte, muss Lindner auch beim CDU-Fürsten den Allerwertesten hinhalten.

Dabei gehen alle Missstände, die der Unions-Kanzlerkandidat in diesem Wahlkampf beklagt, von der überbordenden Bürokratie über die hohen Steuern bis zum Zustrom der Migranten seit 2015, auf das Konto der langjährigen Kanzlerin Angela Merkel. Aber ihr Gesäß ist tabu. Und das nicht aus Frömmigkeit, sondern aus Gründen der Parteiräson.

Die Dame kann, das hat sie in der Migrationsdebatte deutlich gemacht, giftig werden, wenn es um ihr Erbe geht. Sie ist die Einzige, die sich nicht den Lindner schnappt, sondern frontal auf Friedrich den Großen losgeht. Mutti bestraft auch im Ruhestand mit harter Hand, wie der Kanzlerkandidat feststellen musste.

Da Merz trotzdem nicht auf Merkel einprügeln darf, musste Lindner erneut ran. „Vier Prozent sind vier Prozent zu viel für die FDP“, sagte Friedrich Merz über jene Partei, mit der die Union insgesamt 36 Jahre auf Bundesebene regiert hat.

Im TV-Duell mit Scholz wird Merz vor rund zwölf Millionen Zuschauern deutlicher als deutlich. Ein Bundestag ohne die FDP sei „ärmer, aber durchaus lebensfähig“. Olaf Scholz gluckste vor Vergnügen.

Die einstigen Duzfreunde Friedrich und Christian sind jetzt erbitterte Gegner. Merz will die Lindner-FDP nicht schwächen, sondern aus dem Bundestag eliminieren.

Dass es sich dabei nicht um eine Privatfehde zwischen Merz und Lindner handelt, beweist Unions-Vize Dorothee Bär im Pioneer-Podcast In herabsetzender Absicht geht auch sie auf Lindners Partei los:

„Jedes Wort von Markus Söder ist wichtiger als jeder Parteitagsbeschluss der FDP. “

Fazit: So erleben denn der FDP-Vorsitzende und seine Partei eine dunkle Zeit. Alle wollen die Demokratie retten und keiner den Liberalismus, auch wenn die Demokratie ohne ihn gar nicht lebensfähig ist. Der nahe Verwandte des Prügelknaben ist der Sündenbock.

 

Neue Messmethode für Bindungsverhältnisse von radioaktiven Elementen – meist im unteren Periodensystem rund um Uranium

Physik, Chemie, Technik
(KIT) – Ein internationales Team um Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat eine neue Methode zur Untersuchung von Actiniden entwickelt. Die Methode bietet einzigartige Einblicke in die elektronischen Strukturen und Bindungseigenschaften dieser schweren, radioaktiven Elemente in der untersten Reihe des Periodensystems. Sie könnte die Entwicklung besserer Radiotherapeutika unterstützen und zu einem vertieften Verständnis des Verhaltens von Actinid-Verbindungen in der Umwelt und bei der nuklearen Entsorgung beitragen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler präsentieren ihre Methode, die sie an der KIT Light Source entwickelten, aktuell in Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-024-54574-7).
 
 Zu den Actiniden zählen 14 Elemente des Periodensystems, darunter Thorium, Uran, Neptunium, Plutonium und Americium. Die Atome dieser Metalle haben zwischen 90 und 103 Elektronen, darunter solche, die sich in den 5f-Orbitalen aufhalten. Quantenmechanische Phänomene und komplexe elektronische Wechselwirkungen beeinflussen die Anordnung dieser Vielzahl von Elektronen deutlich stärker als bei fast allen anderen Elementen. Das führt zu besonderen Eigenschaften und teils unerwarteten Verhaltensweisen, die nicht vollständig verstanden sind.
Das gilt trotz verschiedener existierender Messmethoden, mit denen sich Informationen über die elektronische Struktur von Actinid-Atomen in chemischen Verbindungen gewinnen lassen. Denn ihre Aussagekraft ist begrenzt. Forschende des Instituts für Nukleare Entsorgung (INE) am KIT haben an Actinid-Verbindungen nun mit einer speziellen Messmethode, der sogenannten „M4 resonanten inelastischen Röntgenstreuung“, ein relativ energiereiches, bisher weitgehend unbeachtetes Signal detailliert untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die geschickte Vermessung und Auswertung dieses Signals ein besseres Verständnis der elektronischen Struktur und des Bindungsverhaltens der Actinid-Atome ermöglicht. Erstens verrät das Signal zuverlässig die Anzahl der 5f-Elektronen, die in einer chemischen Verbindung am Actinid-Atom lokalisiert sind. Zweitens lässt sich mit einer leicht veränderten Messanordnung bestimmen, wie die Bindung des Actinid-Atoms mithilfe der 5f-Elektronen zu anderen Atomen aufgebaut ist.
Grundlegende Einblicke ins Innere von Actinid-Verbindungen
„Die Informationen, die mit unserer Methode erhältlich sind, ermöglichen es, theoretische Berechnungen und Computermodelle experimentell zu überprüfen“, sagt Professorin Tonya Vitova, Leiterin der Abteilung „Innovative Spektroskopien in der f-Element Chemie” am INE. Die genaue Kenntnis der chemischen und physikalischen Eigenschaften actinidhaltiger Verbindungen ist wesentlich, wenn man deren Verhalten in der Erdkruste, im Uran-Bergbau oder in Endlagern vorhersagen will. Außerdem sind unter den Actinid-Verbindungen auch Substanzen, die als radioaktive Medikamente zur Zerstörung von Krebszellen infrage kommen.
Forschung mithilfe der KIT Light Source
Vitovas Arbeitsgruppe nutzt die Röntgenstrahlung, die das Synchrotron „KIT Light Source“ produziert. „Wir benötigen für unsere Methode sehr geringe Mengen, oft nur tausendstel Gramm Substanz“, sagt Dr. Bianca Schacherl, Leiterin der Nachwuchsgruppe Röntgenspektroskopieentwicklung und radiochemische Anwendungen, die den Großteil der experimentellen Messungen durchgeführt hat. Im sicheren und streng kontrollierten Umgang mit radioaktiven Actiniden haben die Forschenden des INE jahrzehntelange Erfahrung. „Unsere Ergebnisse verdanken wir den einzigartigen Bedingungen an der KIT Light Source und der Möglichkeit, auch sehr langwierige Messungen durchzuführen“, so Schacherl. „Die neue Messmethode als Ergebnis unserer Experimente lässt sich jedoch auch an anderen Synchrotons weltweit einsetzen.“
Michelangelo Tagliavini und Professor Maurits W. Haverkort vom Institut für Theoretische Physik der Universität Heidelberg und Dr. Harry Ramanantoanina vom INE haben mit umfangreichen Berechnungen dazu beigetragen, das bei den Karlsruher Röntgenstreuexperimenten vermessene Signal zu interpretieren. Forschende aus den USA, Frankreich und der Schweiz unterstützten die Karlsruher Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem, indem sie actinidhaltige Proben zur Verfügung stellten.  (ffr)

Traum von der elektrischen Wärmepumpe – Mit einem Vorwort von Jean Pütz

Erde, Klima, Umweltschutz

Hier rächt sich die Methode der Grünen-Ideologen. Sie lassen sich ihr Wunschdenken gerne durch Wissenschaft bestätigen, aber noch schlimmer – sie setzen naturwissenschaftliche Gesetzmäßigkeit mit politischen Gesetzmäßigkeiten konterkarieren. Die elektrisch betriebene Wärmepumpe, die auf den ersten Blick energetisch effizient ist, hat den Nachteil, dass sie mit kostbarem elektrischen Strom betrieben werden muss. Auch wenn dabei doppelt so viel Energie gewonnen wird. Eine mit Erdgas oder (später) mit Methanol beheizte Wärmepumpe wäre allerdings viel preiswerter und energetisch hochwertiger. Es klappt eben nicht! Politische gegen naturwissenschaftliche Gesetze umzusetzen.

Es folgt ein Beitrag dazu von der Plattform „The Pioneer Briefing“ zu diesem Thema

Ihr Jean Pütz

Wirtschaftsminister Robert Habeck versuchte, das Image der Wärmepumpe und des Heizungsgesetzes mit Millionen an Geldern in der Öffentlichkeit aufzupäppeln.

Die Bilanz: Knapp 4,1 Millionen Euro zahlte das Wirtschaftsministerium für die „Woche der Wärmepumpe“ und deren Veranstaltungen. Das geht aus einer schriftlichen Regierungsantwort auf eine Frage des CDU-Haushälters Andreas Mattfeldt im Berichterstattergespräch hervor, die unserem Kollegen Michael Bassewitz vorliegt.

Content-Creator for Wärmepumpe: Das Ministerium kalkulierte demnach 40.000 Euro für Influencer ein, die die Woche bewerben sollten. Dazu zählten laut Regierungsantwort die Kanäle: Selbstbautdiefrau, Altbaumakeover, Traumhausprojekt.Runie, Alinasreallife, Hausbauhelden und Energiesparkommissar.

Ein Kanal sticht besonders hervor: Alina Höhn (betreibt den Kanal Alinasreallife), die vorwiegend Posts über Lifestyle und Feminismus macht und etwa zwei Wochen nach ihrer bezahlten Werbung für die „Woche der Wärmepumpe“ für die Wahl der Grünen und gegen die CDU aufruft.

Der CDU-Abgeordnete Andreas Mattfeldt kritisiert, dass Habeck mit Steuergeldern Staatswerbung betreibe, um sein „selbst verschuldetes Wärmepumpen-Desaster der Bevölkerung zu erklären“. Weiter sagt er:

Erst fährt er durch falsche Gesetzgebung und noch schlechtere Kommunikation die Wärmepumpe an die Wand, dann soll der Bürger diesen Fehlern mit teuren Werbungen eine andere Wendung geben

Neue Simulationsmethode schärft Blick ins Erdinnere

Erde, Klima, Umweltschutz
(HZDR) – Wie kommt die Erde zu ihrem Magnetfeld? Auch wenn die grundlegenden Mechanismen bekannt scheinen, ist im Detail noch manche Frage offen. Ein Forschungsteam des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), der Sandia National Laboratories in den USA und des französischen Kommissariats für Atomenergie und alternative Energien (CEA) präsentiert ein Simulationsverfahren, das neue Erkenntnisse über den Erdkern verspricht. Das Verfahren simuliert nicht nur das Verhalten von Atomen, sondern bildet auch die magnetischen Eigenschaften von Materialien nach. Die Methode, vorgestellt im Fachmagazin PNAS (DOI: 10.1073/pnas.2408897121), ist für die Geophysik von Bedeutung. Zudem dürfte sie bei der Entwicklung von Zukunftstechnologien wie dem neuromorphen Computing helfen – ein aussichtsreicher Ansatz für effizientere KI-Systeme.
Für das Leben ist das Erdmagnetfeld essenziell – es schützt vor kosmischer Strahlung und vor dem Sonnenwind. Hervorgerufen wird es durch den sogenannten Geodynamo-Effekt. „Wir wissen, dass der Erdkern hauptsächlich aus Eisen besteht“, erläutert Attila Cangi, Leiter der Abteilung Maschinelles Lernen für Materialmodellierung am CASUS. „Wenn man sich dem Erdmittelpunkt nähert, steigen sowohl die Temperatur als auch der Druck. Der Temperaturanstieg führt zum Schmelzen der Stoffe, während der Druckanstieg dazu führt, dass die Stoffe fest bleiben. Aufgrund der Temperatur-Druck-Verhältnisse liegt der äußere Erdkern im geschmolzenen Zustand vor, der innere im festen Zustand.“ Angetrieben durch Erdrotation und Konvektionsströmungen bewegt sich das flüssige, elektrisch geladene Eisen um das feste Eisen. Diese Bewegung erzeugt elektrische Ströme, die dann wiederum das Magnetfeld unseres Planeten hervorrufen.
Doch bei den Details gibt es unbeantwortete Fragen: Wie ist der Erdkern im Einzelnen beschaffen? Und welche Rolle spielen andere Elemente, die es neben dem Eisen dort wahrscheinlich gibt? Beides dürfte den Geodynamo-Effekt signifikant beeinflussen. Einen gewissen Aufschluss darüber geben Experimente, bei denen Fachleute seismische Wellen durch unseren Planeten schicken und deren „Echos“ mit empfindlichen Sensoren auffangen. „Diese Versuche legen nahe, dass der Erdkern nicht nur Eisen enthält“, erklärt Sandia-Forscher Svetoslav Nikolov, Erstautor der Veröffentlichung. „Denn die Messwerte stimmen nicht mit Computersimulationen überein, die von einem reinen Eisenkern ausgehen.“
Schockwellen im Computer
Fortschritte bei der Frage der Zusammensetzung des Erdkerns verspricht nun ein neue Simulationsmethode, die das Forschungsteam entwickelt und getestet hat. Die zentrale Innovation des Molekular-Spin-Dynamik-Verfahrens liegt in der Kombination zweier bislang getrennter Simulationsmethoden: der Molekulardynamik, die die Bewegung von Atomen beschreibt, und der sogenannten Spindynamik, die die magnetischen Eigenschaften berücksichtigt. „Durch die Kombination der beiden Methoden waren wir in der Lage, den Einfluss des Magnetismus unter hohen Druck- und Temperaturbedingungen und über bisher nicht erreichbare Längen- und Zeitskalen zu untersuchen“, betont der CEA-Physiker Julien Tranchida. Konkret hat das Team das Verhalten von zwei Millionen Eisenatomen und deren Spins simuliert, um dadurch die dynamische Wechselwirkung zwischen mechanischen und magnetischen Eigenschaften zu analysieren. Dabei fanden auch KI-Methoden Verwendung: Durch den Einsatz maschinellen Lernens wurden die sogenannten Kraftfelder – die Wechselwirkungen zwischen den Atomen – präzise bestimmt. Die Forscher generierten und trainierten ihre Modelle mithilfe von Hochleistungsrechnern.
Anschließend startete die eigentliche Simulation: Im Rechner erstellten die Wissenschaftler ein aus zwei Millionen Eisenatomen bestehendes Modell, das repräsentativ für den gesamten Erdkern ist. Dann setzten sie es Temperatur- und Druckverhältnissen aus, die im Erdinneren herrschen. Dafür ließen sie Druckwellen durch die Eisenatome laufen und simulierten so deren Erhitzung und Kompression. Wählten sie eine geringere Geschwindigkeit für diese sogenannten Schockwellen, blieb das Eisen fest und nahm unterschiedliche Kristallformen an. Waren die simulierten Schockwellen schneller, wurde das Eisen weitgehend flüssig.
Bemerkenswert war die Erkenntnis, dass magnetische Effekte die Materialeigenschaften erheblich beeinflussen. „Unsere Simulationen stimmen gut mit experimentellen Daten überein“, sagt der Materialwissenschaftler Mitchell Wood von den Sandia National Laboratories. „Und sie weisen darauf hin, dass sich in einem bestimmten Temperatur-Druck-Bereich eine spezielle Eisenphase stabilisieren könnte, die möglicherweise Einfluss auf den Geodynamo hat.“ Dieser Zustand, bcc-Phase genannt, wurde bei Eisen unter diesen Bedingungen bisher nicht experimentell beobachtet, sondern nur hypothetisch vermutet. Sollten sich die Ergebnisse des Molekular-Spin-Dynamik-Verfahrens bestätigen, dürften sich einige Fragen um den Geodynamo-Effekt klären.
Impulse für stromsparende KI
Doch die Methode bietet nicht nur neue Einblicke in das Erdinnere, sondern hat auch das Potenzial technologische Innovationen in den Materialwissenschaften voranzutreiben. Konkret will Cangi das Molekular-Spin-Dynamik-Verfahren in seiner Abteilung und in Kooperationen auf das sogenannte neuromorphe Computing anwenden. Darunter versteht man eine neue Art von Hardware, die sich an der Funktionsweise des menschlichen Gehirns orientiert und die KI-Algorithmen künftig schneller und stromsparender abarbeiten könnte. Das neue Simulationsverfahren soll gezielt spinbasierte neuromorphe Systeme digital nachbilden und helfen, effizientere Hardware-Lösungen für maschinelles Lernen zu entwickeln.
Eine zweites Anwendungsfeld liegt in der Datenspeicherung: Magnetische Bereiche entlang von winzigen Nanodrähten könnten künftig als ein Speichermedium dienen, das schneller und energiesparender als die herkömmlichen Technologien ist. „Für beide Anwendungen gibt es noch keine präzisen Simulationsmethoden“, sagt Cangi. „Ich bin zuversichtlich, dass wir mit unserem neuen Ansatz die physikalischen Prozesse realitätsgetreu nachbilden und damit die Entwicklung dieser IT-Innovationen deutlich beschleunigen können.“