Archiv der Kategorie: Physik, Chemie, Technik

China realisiert Magnet-Schwebebahn-Netz in Süd-Ost-Asien

Ein Magnetschnellbahn-Testfahrzeug für den Höchstgeschwindigkeitsverkehr, das für eine Betriebsgeschwindigkeit von bis zu 600 km/h ausgelegt ist, hat am 21. Juni 2020 erfolgreich seinen ersten Testlauf auf einer Versuchsstrecke der Tongji-Universität in Shanghai absolviert. China betrachtet dies als einen wichtigen Durchbruch bei seinem Entwicklungsprogramm für Magnetschnellbahnsysteme. Dieses neue Bahnsystem kann als direkte Weiterentwicklung der deutschen Magnetbahntechnologie Transrapid angesehen werden, der leider eine Erstanwendung in Deutschland aus politischen und industriellen Gründen versagt blieb.

In China soll nach dem Flughafenzubringer in Pudong bis zum Jahr 2025 eine neue 500 Kilometer lange Magnetschnellbahnstrecke in den kommerziellen Betrieb gehen. Die Höchstgeschwindigkeitsstrecke Shanghai-Hangzhou ist Bestandteil des Mehrjahresplanes für 10 Supertransportprojekte . Dieses Projekt einer Magnetschnellbahn dürfte also bald Wirklichkeit werden. Nach seiner Fertigstellung im Jahr 2025 werden die Bürger von Hangzhou das Zentrum von Shanghai in 20 Minuten erreichen können. Es ist geplant, die Magnetschnellbahnstrecke über Hangzhou nach Ningbo zu verlängern.

Der Anblick eines einzelnen, autonom fahrenden Mittelwagens ist sicherlich ein ungewöhnlicher Anblick für Eisenbahningenieure, zeigt aber den entscheidenden technologischen Unterschied des Rad/Schiene-Systems zur Magnetschwebebahn mit Langstatorantrieb auf: der Antrieb liegt im Fahrweg.

Die Entwicklung einer Magnetschnellbahn mit einer Betriebsgeschwindigkeit von 600 km/h ist ein Schlüsselprojekt in Chinas „Advanced Rail Transit“-Programm, das vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie im Jahr 2016 initiiert wurde. Das Projektteam, in dem eines der weltweit größten Bahnindustrieunternehmen, die CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd. für den technischen Teil verantwortlich ist, hat Experten aus mehr als 30 Unternehmen, Universitäten und Forschungsinstituten integriert. Eine wissenschaftliche Zusammenarbeit mit deutschen Universitäten und der deutschen Bahnindustrie unterstützt diese Entwicklung. Im Jahr 2019 wurde die Magnetschnellbahn als eine Schlüsseltechnologie für die langfristige Zukunft Chinas in das Programm „Outline for the Construction of a Powerful Country“ aufgenommen.

Worum ging es bei dem Test?
Der Versuch am 21. Juni 2020 ist der erste dynamische Fahrbetrieb eines Prototypfahrzeugs auf der Magnetschwebebahn-Teststrecke in Shanghai und markiert einen großen Schritt vorwärts gegenüber den bisherigen statischen Versuchen. Der Testlauf lieferte eine große Zahl an wichtigen Daten und bewies die prinzipielle Einsatzfähigkeit der neuen Fahrzeugentwickung. Der Test ist eine Grundlage für die weitere Entwicklung und Optimierung des nächsten Testfahrzeugs für das Magnetschnellbahnprojekt im Höchstgeschwindigkeitsbereich.
Den chinesischen Ingenieuren des Forschungs- und Entwicklungsteams des CRRC Qingdao Sifang zufolge zeigte die Magnetschnellbahnsektion während des Tests eine stabile Schwebeleistung und einen einwandfreien Betriebszustand. Der nächste Schritt ist die Industrialisierung der weiterentwickelten Magnetschnellbahntechnologie.

Chinesisches Einsatzfeld:
Die chinesischen Verkehrsforscher erwarten, dass eine 600 km/h schnelle Höchstgeschwindigkeits-Magnetschnellbahn die Geschwindigkeitslücke zwischen Flugzeug und Bahn schließt und dazu beiträgt, ein effizienteres und flexibleres Verkehrssystem aufzubauen. Magnetschnellbahnen können kurze Fahrzeiten mit höchster Sicherheit, Zuverlässigkeit, hoher Fahrgastkapazität, großer Pünktlichkeit und niedrigen Wartungskosten kombinieren.

Reversible Brennstoffzelle mit über 60% Wirkungsgrad – Mit einer Einführung von Jean Pütz

Die Politik wird heute ein sogenanntes ‚Grünes Wasserstoffkonzept‘ vorstellen. Wasserstoff ist tatsächlich eine Möglichkeit, regenerative Energien zu nutzen und zu speichern. Allerdings ist alles noch am Anfang, das vorhandene Erdgasnetz zur Verteilung von Wasserstoff zu nutzen, ist allerdings nicht ohne weiteres möglich, denn Wasserstoff ist extrem flüchtig. Dafür reichen die bisherigen Dichtungsmaßnahmen für Erdgas nicht aus. Wasserstoff zu speichern ist auch ein großes Problem, denn er lässt  sich leider erst bei -253°C  unter hohem Energieaufwand verflüssigen. In gasförmiger Form kann es nur mit hohem Druck zur Verfügung gestellt werden, z. B. bei einem Überdruck von 700 Bar werden vom Gewicht und Energiegehalt her 700 mal mehr gespeichert als bei atmosphärischem Druck. Deshalb entstehen Probleme bei der sinnvollen Nutzung von Wasserstoff in beweglichen Anwendungen, z. B. im Kraftfahrzeugbereich. Sehr sinnvoll ist es allerdings dann, wenn Wasserstoff dazu dient, elektrische Energie für das Hochspannungsnetz zur Verfügung zu stellen. Für diese Umsetzung von Wasserstoff zu Strom gibt es zwei Möglichkeiten:

1. indem es in Verbrennungsmaschinen in Bewegung-Energie und dann in Generatoren in elektrische Energie umgewandelt wird. Das ist sicher sinnvoll, wenn auch die dabei anfallende Wärme benötigt wird, denn der Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren beträgt wegen des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik nur maximal 40%. Für Gas-Wärmepumpen ist das allerdings vertretbar.

2. Umwandlung in Strom in der Brennstoffzelle. Bei sogenannten Niederbrennstoffzellen – so etwa bis 200 °C – ist der Wirkungsgrad nicht wesentlich besser, deswegen ist das bestenfalls für mobile Anwendungen akzeptabel, aber derzeit noch viel teurer als über Otto-Motoren nach dem Verbrennungsprinzip.

Anders dagegen bei sogenannten Hochtemperatur-Brennstoffzellen, die allerdings eine Betriebstemperatur von 600 – 800°C benötigen.

Eine solche Zelle hat nun die KFA Jülich entwickelt, bei einem Wirkungsgrad von immerhin 62% – eine große Leistung. Jedoch ist es bisher erst gelungen, eine Leistung von 5 kW zu erreichen. Um allerdings die Stabilität des elektrischen Versorgungsnetzes zu gewährleisten, benötigt man bei rein regenerativer Einspeisung von Solar- und Windstrom tausende von Terrawatt-Stunden. Ob das jemals sinnvoll und ökonomisch möglich ist, fällt in den Bereich von Wunschträumen.

Ihr Jean Pütz

(Internationales Verkehrswesen) – Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben ein hochgradig effizientes Brennstoffzellen-System in Betrieb genommen, das einen elektrischen Wirkungsgrad im Wasserstoffbetrieb von über 60% erzielt. Ein so hoher Wert wurde bis jetzt von keinem anderen Forscherteam weltweit berichtet. Und die Anlage weist noch eine weitere Besonderheit auf: Die neu entwickelten reversiblen Hochtemperatur-Brennstoffzellen können nicht nur Strom erzeugen, sondern lassen sich auch für die Herstellung von Wasserstoff durch Elektrolyse nutzen.

Reversible Brennstoffzellen, englische Bezeichnung „reversible Solid Oxide Cell“, kurz rSOC, verbinden praktisch zwei Geräte in einem. Der Zelltyp ist daher in besonderer Weise für den Bau von Anlagen geeignet, die Elektrizität in Form von Wasserstoff zwischenspeichern und diesen zu einem späteren Zeitpunkt wieder rückverstromen können. Eine derartige Speichertechnologie könnte eine wichtige Rolle bei der Energiewende spielen. Sie wird benötigt, um Schwankungen erneuerbarer Energien auszugleichen und dem Auseinanderlaufen von Angebot und Nachfrage entgegenzuwirken. Zusätzlich bietet sich der Einsatz für abgelegene Stationen auf Inseln und Bergen an, um dort eine autarke Energieversorgung sicherzustellen.

Die außergewöhnliche Eigenschaft der Reversibilität weisen nur Hochtemperatur-Brennstoffzellen, kurz SOFC, englisch „Solid Oxide Fuel Cell“, auf, die bei etwa 800 Grad Celsius betrieben werden. Aufgrund der hohen Temperatur können für diesen Brennstoffzellentyp unedlere und kostengünstigere Materialien als für Niedrigtemperatur-Brennstoffzellen verwendet werden. Gleichzeitig arbeiten Hochtemperatur-Brennstoffzellen höchst effizient. Anders als Niedertemperatursysteme, deren Wirkungsgrad im Betrieb mit Wasserstoff auf etwa 50% begrenzt ist, können Hochtemperatur-Brennstoffzellen auch einen deutlich höheren Wirkungsgrad erzielen.

Wissenschaftlern des Forschungszentrums Jülich ist es nun gelungen, den Wirkungsgrad noch weiter zu steigern und erstmals einen Wert von über 60% zu realisieren. Für ihre Anlage ermittelten die Forscher im Testbetrieb einen elektrischen Wirkungsgrad von 62%. „Möglich wurde dies durch ein verbessertes Stackdesign in Verbindung mit einer optimierten und hochintegrierten Anlagentechnik, die mehr als 97% des zugeführten Wasserstoffs elektrochemisch umsetzt“, erklärt Prof. Ludger Blum vom Jülicher Institut für Energie- und Klimaforschung (IEK-3).

Eine dieser Verbesserungen liegt in der Dimensionierung der Wandlereinheit (engl. „Stack“). „Unser Stack kommt auf eine Leistung von 5 kW, womit in etwa der Stromverbrauch zweier Haushalte gedeckt werden könnte. Bislang musste man immer mehrere Einheiten im Kilowatt-Maßstab kombinieren, um eine vergleichbare Leistung zu erreichen“, erläutert Ludger Blum. Der Forscher hofft, dass sich so auch die Herstellungskosten senken lassen, da insgesamt weniger Einheiten für den Bau leistungsstarker Anlagen benötigt werden.

Im Elektrolysemodus, wenn das System Wasserstoff produziert, lässt sich die Jülicher Anlage sogar noch mit einer deutlich höheren Leistung fahren. Bei einer Stromaufnahme des Stacks von 14,9 kW erzeugt sie dann pro Stunde 4,75 m³ (Nm3/h) Wasserstoff, was einem Systemwirkungsgrad von 70% entspricht. Damit arbeitet die Versuchsanlage bereits jetzt effizienter als alkalische und Polymerelektrolyt-Elektrolyseure, die auf 60 bis 65% kommen und heute Standard sind.

„Die Elektrolyse funktioniert für den Anfang schon recht gut, hier sehen wir aber auf jeden Fall noch ein Verbesserungspotenzial“, sagt Blum. Hochtemperatur-Systeme anderer Entwickler, die speziell für die Elektrolyse optimiert wurden, erreichen heute Wirkungsgrade von über 80%. Im Brennstoffzellenmodus arbeiten diese dann allerdings nicht so effizient, wie das neue Jülicher System.

Die Jülicher Forscher haben bereits weitere Optimierungen angedacht, mit denen sie den sogenannten „Round-trip“-Wirkungsgrad weiter steigern wollen. Die Kennzahl beschreibt, welcher Wirkungsgrad bei der Wiederverstromung, also nach Herstellung von Wasserstoff und Rückverstromung, übrig bleibt. Die Wissenschaftler wollen den Wert von aktuell 43% auf über 50% verbessern.

Für einen Wasserstoffspeicher wäre dieser Wert sensationell, auch wenn die Technologie in dieser Hinsicht nicht mit Batteriespeichern mithalten kann, die teilweise auf über 90% kommen. Dafür bieten Brennstoffzellen-Systeme andere Vorteile. Da der Energiewandler, die Brennstoffzelle, und der Energieträger Wasserstoff klar voneinander getrennt sind, kann immer wieder neu Wasserstoff zugeführt oder auch abgeleitet werden. Der Größe der speicherbaren Energiemenge sind so kaum Grenzen gesetzt.

 

 

 

HyperHybrid – Das Auto der Zukunft ? – Mit einer Einführung von Jean Pütz

Vor 10 Jahren habe ich der Kölner Niederlassung von Ford Deutschland ein sogenanntes Hyper Hybrid Modell vorgeschlagen. Leider ist man auf meine ausgefeilte Idee, den Kraftstoffverbrauch soweit wie möglich zu verringern und die Elektromobilität zu nutzen nicht eingegangen. Das Kraftfahrzeug wird wesentlich leichter weil es bedarf keines Getriebes mehr und die Batterie Bedarf höchstens ein Fünftel der Kapazität des heutigen üblichen Elektroautos.
6 Jahre später hat dann die im Artikel beschriebene österreichische Firma die Idee
aufgegriffen und in einer hervorragenden Weise verwirklicht. genauso wie ich es bei meiner Testfahrt erlebt habe. Da ist nichts mehr hinzuzufügen, außer dass die Firma auch ein Kleinwagen in ähnlicher Weise vom Normalbenzin-Auto auf über Hybrid Methode umgerüstet hat.
Das soll nur maximal 18000 € kosten und noch weniger verbrauchen. Wie gesagt auch regenerativer Treibstoff – das heißt CO2 neutral.
Es ist dein Auto für jedermann und nicht nur für die reichen die eine eigene Garage oder eine eigene Stromzapfsäule besitzen.
Ihr Jean Pütz

(Michael Gasser) – Lustenau Kommt die Lösung für den globalen Automarkt ausgerechnet aus Vorarlberg? Könnte sein. Frank Obrist (58), Eigentümer einer 50-Mann-Hightechfirma in Lusten­au, ist jedenfalls davon überzeugt. Statt leerer Worte will er mit einem fertigen Prototyp den Beweis antreten. In einem Hangar bei Altenrhein gleich über der Grenze steht der „Mark II“. Ein Tesla Model 3 – auf den ersten Blick. Doch unterm bekannten Blechkleid steckt das, was für Obrist ein intelligentes Elektroauto ausmacht. Die Entwickler aus der Stickergemeinde haben den Tesla von seiner riesigen Batterie und deren Steuerung befreit und an deren Stelle einen kompakten und leichten Akkupack montiert, in den Stauraum fürs Handgepäck in der Front haben sie ihren Mini-Motor geschraubt. Ein Liter Hubraum, zwei Zylinder und eine einzige Aufgabe: Bei Bedarf Strom erzeugen. Das geschieht nur im optimalen Drehzahlbereich und Lambda 1. Die Techniker des Hauses beschreiben eine damit verbundene vollständige Verbrennung. Es würden so keine Luftschadstoffe ausgestoßen. Zwei Liter Verbrauch auf 100 Kilometer und kaum über 20 Gramm CO2 – der „HyperHybrid“, wie Obrist seine Innovation nennt, stellt damit alles Bekannte in den Schatten. Weil der Motor auch synthetische Kraftstoffe der nächsten Generation verträgt, könne er in Sachen CO2-Bilanz auch vollkommen neutral arbeiten. Auch deshalb ist der serielle Hybrid aus Lustenau für Frank Obrist keine Brückentechnologie, sondern eine Lösung für die Zukunft.

Exklusive Testfahrt
Blanke Theorie? Wir durften für eine ausgiebige Runde ans Steuer des Prototyps, der weltweit großes Interesse ausgelöst hat. Ein paar Logos des heimischen Hightech-Unternehmens ersetzen die Tesla-Schriftzüge. Der Elektromotor des amerikanischen Pioniers ist auf 120 Kilowatt gedrosselt. Bis 65 km/h geht es lautlos, ganz im Strommodus dahin. Dass mittlerweile der Verbrenner den Strom erzeugt, merkt im Fahrbetrieb niemand. Vibrationslos und ohne jegliches Ruckeln hat er seine Arbeit aufgenommen. Erst in Bergaufpassagen macht er sich akustisch ein wenig bemerkbar. Schon nach wenigen Kilometern ist klar: Der HyperHybrid hat bereits Serienreife.
Ein erster großer Zulieferer habe unterschrieben, verrät Frank Wolf (54), der als Geschäftsführer bei Obrist fungiert. Mit dem Lizenzvertrag in der Hand soll eine Motorenfabrik entstehen. Die ersten Fahrzeuge könnten in drei bis vier Jahren auf den Markt kommen. Auch mit weiteren Zulieferern und Pkw-Herstellern würde verhandelt. Namen werden freilich keine genannt, das gehört zum Geschäft.
Namen großer Hersteller finden sich aber schon bisher auf den Auftragslisten. Mit Thermomanagement-Lösungen ist das Unternehmen (Obrist Engineering) seit 1996 am Markt tätig. Auch Tesla zählt zu den Kunden. „Wir sind in diesem Bereich ein großer Fisch im kleinen Teich“, beschreibt Frank Obrist. Mit der 2011 gegründeten Obrist Powertrain will der Unternehmer aus der Nische. Das mit nicht weniger als der „Lösung für den globalen Automarkt“ in der Hand, wie er findet. Der Prototyp des HyperHybrids erklärt den Optimismus.

Stellungnahme der Fachgesellschaften zu Corona

(DVG) – I. Mathematik und Naturwissenschaften leisten essenzielle Beiträge zur Überwindung der aktuellen Krise Die aktuelle Corona Pandemie zeigt in eindrucksvoller Weise, wie wichtig die Naturwissenschaften in ihrer ganzen Breite für die Bewältigung von Krisen sind. Ob es um technische Infrastrukturen wie Intensivbetten oder Beatmungsgeräte geht, um die Voraussage künftiger bzw. die Visualisierung aktueller Fallzahlen, die Entwicklung neuer Nachweissysteme auf Sars 2 bzw. von Antikörpern gegen das Virus, oder um dieHerstellung der benötigten Schutz und Desinfektionsmittel in allen Fällen ist naturwissenschaftlicher Sachverstand gefragt. Die mathematisch naturwissenschaftlichen Fachgesellschaften betonen daher die Dringlichkeit, das vorhandene und stetig wachsende Wissen der Naturwissenschaften und der Medizin zur sachlichen Vorbereitung von politischen Entscheidungen intensiv zu nutzen.
Mathematiker und Naturwissenschaftler sind sich bewusst, dass ihre Erkenntnisse nie
endgültig sein können. Wichtige Entscheidungen müssen aber häufig trotz bleibender
Unsicherheiten getroffen werden. Die Fachgesellschaften sehen es als ihre Aufgabe an,
sowohl Entscheidungsträger als auch die Öffentlichkeit bestmöglich über die Hintergründe und Konsequenzen ihrer Empfehlungen aufzuklä ren, die darüber hinaus mit ethischen und sozialen Kriterien abgewogen werden müssen.
II. Mathematisch naturwissenschaftliches Basiswissen ist wichtiger denn je
Gerade in der Berichterstattung zur aktuellen COVID Pandemie zeigt sich, dass ein
gesellschaftlich breites Verständnis mathematischer und naturwissenschaftlicher
Zusammenhänge wichtig ist, um komplexe Informationen über Fallzahlen und deren
Entwicklung oder die Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen zu verstehen und nicht auf
Panikmache oder „Fake News“ hereinzufallen. Generische Fähigkeiten wie das Denken in
Systemen, der Umgang mit Daten und Wahrscheinlichkeiten, die Fähigkeit, Probleme
analytisch zu lösen, aber auch das Wissen um die Vorläufigkeit wissenschaftlicher
Erkenntnisse und Evidenzen oder der Einbezug ethischer Bewertungen zeichnen die
Naturwissenschaften aus. Die Fachgesellschaften leisten ihren Beitrag zu einer seriösen
Vermittlung von Erkenntnissen aus ihren jeweiligen Fachgebieten.
Maßnahmen zur Eindämmung der COVID Pandemie erfordern ein möglichst umfassendes Verständnis des Erregers und seiner krankmachenden Wirkungen. Das derzeitige Wissen über Coronaviren, Diagnosemöglichkeiten und Therapieansätze wäre ohne moderne molekularbiologische Methoden einerseits und eine langfristig ausgerichtete,
erkenntnisgeleitete Grundlagenforschung andererseits nicht denkbar. Mit Hilfe mathematischer Simulationen werden mögliche künftige Szenarien und ihre Wahrscheinlichkeit errechnet. Außerdem hilft Mathematik dabei, Reproduktionszahlen zu berechnen sowie aktuelle Entwicklungen grafisch übersichtlich und verständlich darzustellen. Die Entwicklung und Untersuchung von Wirkstoffen für neue Medikamente oder Impfstoffe ebenso wie die Entwicklung von Testsystemen auf bestimmte Viren oder Bakterien sind Aufgaben, in denen Expertinnen und Experten aus Chemie, Biologie, Pharmazie, Medizin und Informatik fachübergreifend kooperieren. Die Modellierung möglicher Wirkstoffe am Computer bringt die Suche nach passfähigen Medikamenten gegen dieses Coronavirus entscheidend voran. Mittels hochmoderner Methoden können viele Tausend Substanzen in kurzer Zeit identifiziert und auf ihre mögliche Eignung als Medikament untersucht werden
III. Grundlagen für mathematisch naturwissenschaftliches Verständnis werden in der
Schule gelegt Grundlage für ein starkes Wissenschaftssystem mit gut ausgebildeten Medizinern, Ingenieuren, Mathematikern und Naturwissenschaftlern ist der mathematisch naturwissenschaftliche Schulunterricht. Neben der reinen Wissensvermittlung fördert er das logische Denken, den Umgang mit Daten und das Verständnis für komplexe Zusammenhänge. Eine gute mathematisch naturwissenschaftliche Schulbildung ist die unabdingbare Basis dafür, dass Deutschland auch in Zukunft über hervorragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Medizin, Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften verfügt, um die großen Herausforderungen im Gesundheitswesen, in der Medizintechnik, der sicheren Versorgung mit Ressourcen und erneuerbarer Energie, dem Klimawandel, der Ernährung oder der Landwirtschaft zu meistern. Auf die aktuelle Situation bezogen, bildet Fachwissen die Grundlage, die für das Verständnis der COVID 19 Pandemie und damit auch für die nachhaltige Akzeptanz von Hygiene und Schutzmaßnahmen wesentlich
ist Die Fachgesellschaften plädieren daher dafür, die Naturwissenschaften als Kernfächer durchgängig zu unterrichten. Bei der Weiterentwicklung der Lehrpläne muss der grundlegenden Bedeutung des mathematisch naturwissenschaftlichen Unterrichtes zukünftig verstärkt Rechnung getragen werden. Die Vernetzung der mathematisch naturwissenschaftlichen Fächer untereinander und die Bewertung wissenschaftlicher Erkenntnisse in Bezug auf die Vorläufigkeit und Evidenz sollte ebenfalls Beachtung finden
IV. Fundierte Wissenschaftskommunikation ist die Basis für ein breites öffentliches Verständnis wissenschaftlicher Zusammenhänge
Die COVID 19 Pandemie hat auch deutlich gemacht, dass Wissenschaftskommunikation
essenziell ist, um die Bevölkerung allgemeinverständlich über die Fakten und deren
Bedeutung zu informieren. Dazu gehört auch, Laien ein besseres Verständnis der
komplexen Zusammenhänge zu vermitteln: von medizinischen und biochemischen
Grundlagen über die Interpretation grafischer Darstellungen bis hin zu Informationen
darüber, was z.B. eine Studie aussagt und was nicht. Das kürzlich veröffentlichte
„Wissenschaftsbarometer Corona Spezial“, herausgegeben von Wissenschaft im Dialog,
zeigt, dass die Mehrheit der Befragten diese Informationen zu schätzen weiß. Die
mathematisch naturwissenschaftlichen Fachgesellschaften empfehlen in diesem
Zusammenhang, die Wissenschaftskommunikation zu stärken und ihre Rolle in der
Ausbildung und im Wissenschaftsbetrieb aufzuwerten. Diese Überlegungen sind vor kurzem auch von der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der größten Förderin der Wissenschaften in Deutschland, positiv aufgenommen worden.
V. Die COVID 19 Pandemie wird langfristige Folgen haben
Die COVID 19 Pandemie hat tiefgreifende Konsequenzen für die Krankenversorgung, die
wirtschaftliche Entwicklung und das gesellschaftliche Miteinander, die sich zum
gegenwärtigen Zeitpunkt nicht einmal ansatzweise einschätzen lassen. Schon jetzt zeichnetsich aber ab, dass die COVID 19 Pandemie auch die Arbeitsweise der Wissenschaften verändern wird.
• Hochschulausbildung
Das Studium der Naturwissenschaften ist stark experimentell ausgerichtet. Die gegenwärtigen Abstandsregelungen führen allerdings dazu, dass Laborpraktika nur
noch in reduzierter Form durchgeführt werden können. Dadurch wird die praktische Ausbildung vor allem in den Naturwissenschaften leiden. Die durch die Pandemie
bedingten Einschränkungen generieren besonders hier einen wesentlich höheren
(Organisations) Aufwand, setzen aber auch kreative Potenziale bei der Neugestaltung von Lehrveranstaltungen frei.
• Wissenschaftliche Tagungen
Offen ist, wie sich der Austausch der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
untereinander ändert, wenn Tagungen zunehmend, wenn auch nicht ausschließlich, virtuell durchgeführt werden.
• Wissenschaftliche Publikationen
Die Bedeutung digitaler Publikationen wird sich von einem bereits hohen Niveau
ausgehend nochmals erhöhen, zumal einige Publikationen, die bisher noch als
Printausgaben erschienen sind, derzeit nur noch online verfügbar sind. Auch
Preprintserver werden vermehrt genutzt werden, was den wissenschaftlichen
Austausch bei der Erforschung des COVID 19 Erregers bereits jetzt erheblich
beschleunigt hat. Freier und schneller Zugang zu wissenschaftlichen Publikationen
für alle (Open Access) ist wichtiger denn je. Neue Mechanismen zur Qualitätskontrolle müssen auch hier hohe Standards gewährleisten.
• Internationale Zusammenarbeit
Die COVID 19 Pandemie hat gezeigt, dass internationale Wissenschaftskooperation in einer globalen, pluralen Welt essenziell ist. Darauf haben die mathematisch naturwissenschaftliche Fachgesellschaften im Rahmen ihrer Aktion „Wissenschaft verbindet“ bereits 2018 hingewiesen.

Corona-Krise mit Hilfe von Mathematik und Naturwissenschaften verstehen und bekämpfen – Mit einer Bemerkung von Jean Pütz

Auf einen Aspekt, der im Artikel angesprochen wird, möchte ich hinweisen:
Die naturwissenschaftliche Bildung in Deutschland kommt einer Katastrophe nah. Aus persönlicher Erfahrung weiß ich, dass sogar Abiturienten nicht in der Lage sind, die einfachsten physikalischen Zusammenhänge zu erkennen und vor allen Dingen zu begreifen. Das liegt daran, dass nicht nur das Fach Physik schon frühzeitig in Gymnasien und Gesamtschulen abgewählt werden kann. Verhängnisvoll, denn die mangelnde Verinnerlichung des Prinzips von Ursache und Wirkung, auf das die Physik in ihren Grundfesten aufbaut, ist auch für das gesamte Leben unentbehrlich. Besonders im heutigen postfaktischem Zeitalter werden Fakenews und Verschwörungstheorien Tür und Tor geöffnet. Das erzeugt irrationale Ängste, die sich tief in die Gefühlswelt der Bürger eingraben, so dass politische Entscheidungen oft nicht mehr durch Vernunft, sondern nur noch durch Emotionalität bewertet werden. Leider muss ich es sagen, als gelernter Soziologe und ehemaliger Oberstudienrat für Physik empfehle ich über Folgendes nachzudenken.
Ich unterteile die Bürger grob in zwei Kategorien, in die rational gesteuerten Analysten – sie sind für die weitgehend technische und wissenschaftliche Kreativität verantwortlich – und in die sogenannten Emotionalisten, die hauptsächlich bauchgesteuert und selten durch Vernunft und Logik ansprechbar sind. Natürlich gibt es da fließende Übergänge. Für eine Demokratie, in der jede Stimme zählt, wirkt das Schwergewicht der Emotionalisten auf lange Sicht zerstörerisch.
Ich wage sogar eine Quotierung: Ich schätze, dass die Emotionalisten etwa 85% der Bevölkerung ausmachen, während die Analysten, die unsere Wirtschaft in Betrieb halten, nur noch einen Anteil von 15% darstellen. Es ist erstaunlich, dass durch Corona wenigstens kurzfristig – teilweise Angst getrieben – viele Menschen plötzlich der Wissenschaft vertraut haben. Nur so sind die enormen Erfolge durch die vielen Einschränkungen erklärbar, zumindest, wenn man das mit fast allen industriellen Ländern vergleicht. Dass sogar China, die USA, Türkei, Brasilien mehr den regressiven Einsichten der Autokraten ausgesetzt sind, während Deutschland bei dieser Pandemie eine Art Insel der Seligen geworden ist, hätte ich nie gedacht – großen Respekt!
Aber was geschieht, wenn jetzt die Aussetzung der Maßnahmen nach und nach von der Politik ermöglicht wird, ist eine andere Frage. Ob die Vernunft da obsiegt, ist lange noch nicht gesagt. Dass eine solche Seuche strengen naturwissenschaftlichen, soziologischen und mathematischen Gesetzen unterworfen ist, scheint aber auch bestimmten Ideologen – ob von rechter AFD, planwirtschaftlich orientierten ‚Linken‘ oder grünen-Ideologen – nicht bewusst zu sein. Sie nutzen diese Zeit garantiert populistisch aus, um ihre träumerischen oder totalitären Interessen in den Vordergrund zu stellen. Wer dann in Krisenzeiten die Oberhand behält, steht in den Sternen.
Das alles, weil unsere Jugend in der Schule nicht auf solche Problemzeiten vorbereitet wurde, und schwierige Fächer aus einem niederen Grund mit der Begründung ’sie wären zu kompliziert und man würde sich damit die Prüfungsnoten versauen‘ abgewählt werden können.
In diesem Sinne sehe ich den folgenden Aufruf der deutschen-naturwissenschaftlich-technischen Intelligenz:
Ihr Jean Pütz

(DPG) – Die COVID-19-Pandemie kann ohne mathematisch-naturwissenschaftlichen Sachverstand nicht überwunden werden. Dies betonen fünf große mathematisch-naturwissenschaftliche Fachgesellschaften in Deutschland in einem Positionspapier. Die Fachgesellschaften vertreten die Fächer Biologie, Chemie, Physik, Mathematik und Geowissenschaften.

Die fünf Gesellschaften weisen auf die Beiträge hin, die von den Naturwissenschaften gerade in der aktuellen Krise geleistet werden. Ob es um technische Einrichtungen wie Intensivbetten oder Beatmungsgeräte geht, um die Voraussage künftiger Fallzahlen, für die mathematische, medizinische und epidemiologische Kenntnisse gleichermaßen wichtig sind, um die Erforschung des Virus, die Entwicklung neuer Tests auf COVID-19 bzw. auf Antikörper gegen das Virus oder um die Herstellung der benötigten Schutz- und Desinfektionsmittel – überall ist naturwissenschaftlicher Sachverstand gefragt. Das gilt insbesondere für die medizinische Versorgung sowie für die Entwicklung eines Impfstoffes oder wirksamer Medikamente, an denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in aller Welt derzeit mit Hochdruck arbeiten.

Der Dachverband der Geowissenschaften (DVGeo), die Deutsche Mathematiker-Vereinigung (DMV), die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG), die Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh) sowie der Verband Biologie, Biowissenschaften und Biomedizin in Deutschland (VBIO) vertreten insgesamt mehr als 130.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. „Auch wenn die Politik letztlich die Entscheidungen fällen muss, kann die Pandemie nicht ohne Forschung und Expertise von Mathematikern, Medizinern und Naturwissenschaftlern überwunden werden“, sagt DMV-Präsident Professor Friedrich Götze. „Die in den letzten Jahren zusammengetragenen Erkenntnisse zu Corona-Viren bilden die Basis für konkrete und zeitnahe Maßnahmen. Die COVID-19-Pandemie ist damit ein eindrückliches Beispiel für die essenzielle Bedeutung der Grundlagenforschung, deren Anwendungsrelevanz weder zeitlich noch inhaltlich vorhersagbar ist“, ergänzt Professorin Felicitas Pfeifer, Vizepräsidentin des VBIO.

Die Berichterstattung zur aktuellen COVID-19-Pandemie zeigt überdeutlich, dass das Verständnis von mathematischen und naturwissenschaftlichen Zusammenhängen unabdingbar ist, um komplexe Informationen über Fallzahlen, Reproduktionsziffern oder die Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen zu verstehen und nicht auf Panikmache oder „Fake News“ hereinzufallen. Die Fachgesellschaften fordern daher, dass in den Schulen Fächern wie Mathematik und Naturwissenschaften höchste Aufmerksamkeit geschenkt wird. „Wir brauchen mehr Naturwissenschaften in den Schulen und zwar in allen Altersstufen. Mit mathematisch-naturwissenschaftlichem Unterricht fördern wir das logische Denken und das Verständnis für komplexe Zusammenhänge,“ betont Dr. Lutz Schröter, Präsident der DPG. Und Professor Peter R. Schreiner, Präsident der GDCh, ergänzt: „Und wir sorgen dafür, dass Deutschland auch in Zukunft über hervorragende Problemlöserinnen und Problemlöser aus Medizin, Mathematik und Naturwissenschaften verfügt, um künftige Herausforderungen zu meistern.“

Schließlich betonen die Fachgesellschaften auch die Bedeutung der Wissenschaftskommunikation. „Die Bevölkerung hat ein Recht darauf, umfassend informiert zu werden, und zwar so, dass sie es versteht“, sagt DVGeo-Präsident Prof. Dr. Jan Behrmann. Die mathematisch-naturwissenschaftlichen Fachgesellschaften empfehlen in diesem Zusammenhang, die Wissenschaftskommunikation und den Wissenschaftsjournalismus insgesamt zu stärken und ihre Rolle im Wissenschaftsbetrieb aufzuwerten.

Die Fachgesellschaften erwarten, dass die COVID-19-Pandemie auch langfristig Folgen haben wird. Dies betrifft sowohl die Krankenversorgung, die wirtschaftliche Entwicklung und das gesellschaftliche Miteinander, als auch die Art, wie Wissenschaft und Forschung künftig organisiert werden. Die Hochschulausbildung, der wissenschaftliche Austausch auf Tagungen und Konferenzen, Forschungskooperationen und das Publikationswesen werden sich ändern und darauf müssen sich Lehrende und Forschende an den Hochschulen ebenso einstellen wie Veranstalter von Tagungen sowie Verlage.

Die mathematisch-naturwissenschaftlichen Fachgesellschaften anerkennen die wichtige Rolle der Sozial- und Wirtschaftswissenschaften beim Verständnis der Folgen der Pandemie sowie ethischer Kriterien, um mit den Folgen umzugehen. Sie betonen die große Bedeutung der Mathematik, der Medizin und der Naturwissenschaften für das Verständnis des Virus und seiner Ausbreitung.

Die unterzeichnenden Fachgesellschaften bieten der Politik und Gesellschaft ihre Fachkenntnis und ihre Unterstützung an, um geeignete Strategien zur Bewältigung der Coronakrise zu entwickeln und zu helfen, wichtige Entscheidungen – auch bei unvollständiger Erkenntnis – vorzubereiten.

 

Vom Makrokosmos in den Mikrokosmos

(Uni Stuttgart) – Forschende vermessen erstmals die Dynamik von Skyrmionen aus Licht auf ultraglatten Goldplättchen

Im Zentrum eines Wirbels bestehen sehr hohe Drehgeschwindigkeiten, die bei großen Tornados gewaltige Zerstörungskräfte entfalten können. Ähnliche Effekte werden für Licht vorhergesagt, das auf einer atomar glatten Goldoberfläche entlangläuft und dabei Drehimpulse und Wirbel ausbilden kann. Forschenden der Universitäten Stuttgart und Duisburg-Essen sowie der University of Melbourne (Australien) ist es jetzt erstmals gelungen, diese nach ihrem Entdecker Tony Skyrme „Skyrmionen“ genannten Wirbel-Muster auf der Nanometerskala zu filmen. Über die bahnbrechende Arbeit berichtet das Fachmagazin Science am 24. April 2020.

Wenn eine Eiskunstläuferin zur Pirouette ansetzt und dabei die Arme hebt, dreht sie sich aufgrund der Drehimpulserhaltung immer schneller um die eigene Achse. Der gleiche Pirouetteneffekt lässt an heißen Sommertagen über abgeernteten Felder die so genannten „Staubteufel“ entstehen, kleine Wirbelstürme aus heißer Luft, und er gibt großen Tornados ihre zerstörerische Kraft. Der Physiker Tony Skyrme hat sich in den 1960er-Jahren in einem Forschungsfeld, das man Topologie nennt, ausführlich mit solchen Wirbeln beschäftigt. Nach ihrem Entdecker werden die Muster „Skyrmionen“ genannt.

Auch bei Licht, das auf atomar glatten Goldoberflächen entlanglaufen kann, gibt es eine Art Drehimpuls, und es können sich Wirbel, sogenannte Vortices ausbilden. Allerdings sind die Wirbel in diesem Fall nur wenige Hundert Nanometer groß, und das Auge dieser Nanotornados hat nur eine Größe von wenigen Nanometern. Daher konnte bisher noch niemand die genaue Ausrichtung dieser Wirbel messen. Ebenso war es unmöglich, die Wirbeldynamik anzuschauen, denn die Zeit, die das Licht benötigt, um einmal um einen solchen Wirbel herumzulaufen, beträgt nur wenige Femtosekunden (Billionstel Millisekunden).

In einer aufsehenerregenden Arbeit ist es jetzt einem Team aus Forschenden der Universität Stuttgart, der Universität Duisburg-Essen und der University of Melbourne in Australien gelungen, erstmals solche Skyrmionen aus Licht auf der Nanometerskala zu filmen. Dabei konnten die Forschenden sogar die Richtung des elektrischen und magnetischen Feldes im Licht in allen drei Dimensionen aufnehmen und seine Bewegung messen. Der Theoretiker Tim Davis aus Melbourne, der in Stuttgart und Duisburg mit Unterstützung des Quantenzentrums IQST zu Gast war, berechnete die benötigten Lichtwellenlängen, die Nanostrukturen sowie genauen Dicken der Goldplättchen und sagte vorher, wie sich regelmäßige Felder aus Lichtwirbeln verhalten würden.

Neue Methode zur Herstellung atomarer Goldplättchen
Bettina Frank aus der Arbeitsgruppe von Prof. Harald Gießen am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart gelang es mit einer neuen, von ihr selbst entwickelten Methode, atomar glatte Goldplättchen mit einstellbarer Dicke im Nanometerbereich herzustellen. Zum Einsatz kamen dabei Silizium-Wafer, wie man sie in der Chipherstellung kennt. Die Plättchen wurden von ihr mit Nanostrukturen versehen. Dabei kam ein hochpräziser Gold-Ionenstrahl als Nanozerstäuber zum Einsatz. Dadurch können beim Bestrahlen mit Laserpulsen einer genau berechneten Wellenlänge im Infrarotbereich ganze Skyrmionenfelder aus Licht entstehen, sogenannte plasmonische Skyrmionen.

Die Messung der Vektordynamik, also der dreidimensionalen Ausrichtung der Plasmonen-Lichtfelder und ihres zeitlichen Verhaltens, gelang in einem speziell dafür entwickelten Experiment der weltweit führenden Gruppe um Prof. Frank Meyer zu Heringdorf an der Universität Duisburg-Essen. Die Doktoranden Pascal Dreher und David Janoschka schossen dafür Laserpulse von nur 13 Femtosekunden Pulsdauer bei 800 nm auf die Goldplättchen mit den Nanostrukturen aus Stuttgart. Durch den Photoeffekt, für den Einstein seinen Nobelpreis bekommen hatte, werden Elektronen aus der Goldprobe geschleudert, die dann in einem Elektronenmikroskop vermessen werden. Durch eine geschickte Kombination von mehreren Laserpulsen mit verschiedenen Lichtpolarisationen und mehrfache Wiederholung des Experiments kann man nun durch Projektion die verschiedenen Vektorkomponenten der Lichtfelder bestimmen.

Indem man zwei Laserpulse nacheinander auf die Probe schickt, kann man die Nanotornados aus Licht sowohl anwerfen und dann durch die ultrakurzen Laserpulse abtasten, so dass man innerhalb einer Nacht einen ganzen Nanofilm dieser Lichtwirbelstürme aufnehmen kann.

Neue Art der Mikroskopie
Prof. Harald Gießen vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart glaubt, dass man auf der Basis dieser Forschung in Zukunft mit neuartigen Mikroskopen viel kleinere Strukturen mit Licht herstellen könnte, als dies bisher der Fall war. „Die Kombination aus Bahndrehimpuls und den Vektoreigenschaften führt schon mit linearer Optik zu plasmonischen Vortexstrukturen im Nanometer-Bereich“ berichtet er. „Auch wird es möglich sein, unter einstellbaren Randbedingungen zeitaufgelöste Skyrmionenphysik experimentell zu beobachten.“ Besonders spannend werde die Wechselwirkung solcher Skyrmionenfelder und ihrer Bahndrehimpulse mit benachbarten Teilchen in Halbleitern, zum Beispiel in atomar dünnen, zweidimensionalen Materialien, so Gießen weiter: „Dank unserer neuen Raith-Ionenstrahl-Lithographiemaschine haben wir fast unendlich viele Möglichkeiten, verschiedene topologische Nanostrukturen zu erzeugen und mit der Duisburger Nanokamera ihre Skyrmionendynamik zu studieren“.

Hirnimplantate jetzt mit tausenden Elektroden

Ich hoffe, dass diese Methode nicht bald von autoritären Staatssystemen missbraucht wird. Es wäre die absolute Apokalypse.

Trotzdem möchte ich Ihnen die Meldung nicht vorenthalten.

Ihr Jean Pütz

(pte) – Forscher der Duke University haben zusammen mit Kollegen der Northwestern und der New York University eine extrem flexible Schnittstelle zwischen Gehirn und Außenwelt entwickelt, die tausende Elektroden enthält. Das Messsystem wird ins Gehirn implantiert. Es soll mehr als sechs Jahre lang Daten liefern.

Quarzglas nicht abgestoßen
Die Elektroden der Forscher sind nicht gekapselt, trotzen der Umgebung dennoch über lange Zeit und sind hundertmal dünner als ein Blatt Papier. Sie bestehen aus Siliziumdioxid und sind weniger als ein Mikrometer dick. Pro Tag verlieren sie in der Dicke 0,46 Nanometer durch chemische Prozesse. Das Immunsystem interessiert sich für diesen Eindringling nicht – Siliziumdioxid ist biokompatibel.

Obwohl das Material, das auch als Quarzglas bekannt ist, elektrisch nicht leitfähig ist, kann es Infos aus dem Gehirn liefern. Es handelt sich um eine kapazitive Messung, vergleichbar der Technologie, die die Bewegung eines Fingers auf einem Touchscreen registriert. Die Experten implantierten ein System mit 64 Elektroden bereits in das Gehirn einer Ratte und eines mit 1.008 Elektroden in das Gehirn eines Affen. Sie lieferten Daten über einen langen Zeitraum. „Jetzt wollen wir unsere Technik verfeinern, um Menschen zu helfen, die an Gehirnkrankheiten leiden“, so Bijan Pesaran, Professor für Neurologie an der New York University.

Immunsystem als Hauptgegner
„Der Versuch, Sensoren dazu zu bringen, im Gehirn zu arbeiten, ist vergleichbar mit dem Versenken eines Smartphones im Ozean in der Erwartung, dass es dort 70 Jahre lang funktioniert“, so Jonathan Viventi, Assistenzprofessor für biomedizinisches Ingenieurswesen an der Duke University. Erschwerend komme hinzu, dass die Elektroden weitaus dünner und flexibler seien als ein Handy.

„Der Körper ist ein Ort, der gegenüber einem unerwünschten Gast unerbittlich vorgeht“, meint der Forscher. Das Immunystem zerstöre alle Eindringlinge. Dazu komme, dass Gewebe korrosive Wirkung habe, Elektroden also auf chemischem Weg angreife. Aus diesem Grund sind Implantate wie Herzschrittmacher voll gekapselt, meist in bioverträglichem Titan.

Das Z‘-Boson in der Vermessung

(KIT) – Im japanischen Forschungszentrum für Teilchenphysik KEK in Tsukuba, etwa 50 Kilometer nördlich von Tokio, ist seit etwa einem Jahr das Belle II-Experiment in Betrieb. Hier sucht ein internationales Forscherteam unter Beteiligung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) nach exotischen Teilchen, die unser Verständnis der Dunklen Materie im Universum voranbringen sollen. Für eines dieser Teilchen, das sogenannte Z‘-Boson, konnten nun die Masse und die Stärke seiner Wechselwirkung mit bisher unerreichbarer Genauigkeit eingegrenzt werden. Die Ergebnisse sind soeben im renommierten Wissenschaftsjournal Physical Review Letters erschienen.

Seit etwa einem Jahr nimmt das Belle II-Experiment Daten für physikalische Messungen. Sowohl der Elektron-Positron-Beschleuniger SuperKEKB als auch der Detektor Belle II waren in mehrjährigen Umbauarbeiten gegenüber den Vorgängern verbessert worden, um eine 40 Mal höhere Rate an Daten zu erzielen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus zwölf Instituten in Deutschland sind maßgeblich am Bau und Betrieb des Detektors, der Entwicklung von Auswertungsalgorithmen und der Analyse der Daten beteiligt. Das KIT hat für Belle II Software zur Rekonstruktion der Teilchenspuren entwickelt, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) für die Auslese der Daten entwickelt und produziert, Hardware mit modernen Machine-Learning-Algorithmen zum Aufspüren von Teilchenspuren konstruiert und Berechnungen durchgeführt, die die künftigen Belle II-Daten mit fundamentalen Theorien verknüpfen. „Eine Besonderheit des KIT ist, dass dabei Physiker und Elektroingenieure eng zusammengearbeitet haben”, erklärt Professor Ulrich Nierste aus dem Institut für Theoretische Teilchenphysik des KIT, dessen Arbeitsgruppe theoretische Studien für das Experiment durchführt.

Mit Belle II suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach Spuren neuer Physik, mit der sich zum Beispiel das ungleiche Vorkommen von Materie und Antimaterie oder die mysteriöse Dunkle Materie erklären lassen. Eines der bisher unentdeckten Teilchen, nach dem der Belle II-Detektor Ausschau hält, ist das Z‘-Boson – eine Variante des bereits nachgewiesenen Z-Bosons. Letzteres agiert als Austauschteilchen für die schwache Wechselwirkung.

Soweit wir wissen, besteht etwa 25 Prozent des Universums aus Dunkler Materie, wohingegen die sichtbare Materie knappe 5 Prozent des Energiebudgets ausmacht. Beide Materieformen ziehen sich gegenseitig über die Schwerkraft an. Die Dunkle Materie bildet so eine Art Schablone für die Verteilung der sichtbaren Materie, was sich zum Beispiel in der Anordnung von Galaxien im Universum zeigt.

Bindeglied zwischen Dunkler und normaler Materie
Das Z‘-Boson könnte eine interessante Rolle beim Zusammenspiel von Dunkler und normaler, sichtbarer Materie spielen, also eine Art Vermittler zwischen den beiden Materieformen sein. Das Z‘ kann – zumindest theoretisch – aus der Kollision von Elektronen (Materie) und Positronen (Antimaterie) im SuperKEKB hervorgehen und dann in unsichtbare Dunkle-Materie-Teilchen zerfallen. „Somit kann das Z‘-Boson helfen, das Verhalten von Dunkler Materie zu verstehen – und nicht nur das: Mit der Entdeckung des Z‘ ließen sich auch andere Beobachtungen erklären, die nicht mit dem Standardmodell, der grundlegenden Theorie der Teilchenphysik, in Einklang stehen“, erläutert Ulrich Nierste die Untersuchungen.

Wichtiges Indiz: Nachweis von Myonenpaare
Doch wie lässt sich das Z‘-Boson im Belle II-Detektor aufspüren? Nicht auf direktem Weg, so viel ist sicher. Theoretische Modelle und Simulationsrechnungen sagen voraus, dass sich das Z‘ durch Wechselwirkungen mit Myonen, schwereren Verwandten der Elektronen, verraten könnte: Wenn Wissenschaftler nach den Elektron-/Positron-Zusammenstößen eine ungewöhnliche hohe Anzahl an Myonen-Paaren mit gegensätzlicher Ladung sowie unerwartete Abweichungen bei Energie- und Impulserhaltung entdecken, wäre das ein wichtiges Indiz für das Z‘.

Allerdings lieferten die neuen Belle II-Daten noch keine Anzeichen für das Z‘-Boson. Jedoch können die Wissenschaftler mit den neuen Daten die Masse und Kopplungsstärken des Z‘-Bosons mit einer bisher unerreichbaren Genauigkeit einschränken.

Mehr Daten, genauere Analysen
Diese ersten Ergebnisse stammen aus der Analyse einer kleinen Menge an Daten, die noch in der Anlaufphase von SuperKEKB im Jahr 2018 gewonnen wurden. Seinen Vollbetrieb nahm Belle II am 25. März 2019 auf. Seither sammelt das Experiment Daten, während gleichzeitig die Kollisionsrate von Elektronen und Positronen stetig verbessert wird. Wenn das Experiment perfekt eingestellt ist, wird es ein Vielfaches der Daten liefern, die in die aktuell veröffentlichten Analysen eingeflossen sind. Die Physiker*innen hoffen so, neue Erkenntnisse über die Natur der Dunklen Materie und andere ungeklärte Fragen zu erzielen.  „Mit mehr Daten eröffnen sich neue Möglichkeiten, die Dunkle Materie zu erforschen: In Zerfällen schwerer Mesonen könnten Z’-Bosonen oder andere „dunkle” Austauschteilchen entstehen, die den Detektor verlassen, aber als Defizit in der Energiebilanz des Zerfalls dennoch bemerkt werden” erläutert Dr. Goldenzweig, dessen Arbeitsgruppe am Institut für Experimentelle Teilchenphysik des KIT auf solche Messungen spezialisiert ist.

Die deutschen Arbeitsgruppen im Belle II-Experiment werden mit Finanzmitteln folgender Einrichtungen und Programme gefördert:

  • Bundesministerium für Bildung und Forschung: Rahmenprogramm Erforschung von Universum und Materie (ErUM)
  • Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder:

„ORIGINS“:                      EXC-2094 – 390783311

„Quantum Universe“:    EXC-2121 – 390833306

  • European Research Council
  • European Union’s Horizon 2020 – grant agreement No 822070
  • Helmholtz-Gemeinschaft
  • JENNIFER im Rahmen von Horizon 2020 der Europäischen Kommission
  • Max-Planck-Gesellschaft

 

So verbreitet sich Atemluft beim Husten – Mit Videos

Video 1
Video 2-7

Amayu Wakoya Gena, DAAD-Stipendiat Professur Bauphysik an der Bauhaus-Universität Weimar, demonstriert in diesem Video mithilfe eines Schlierenspiegels wie unterschiedlich sich die Atemluft beim Husten ausbreitet. Dies visualisiert die hohe Bedeutung der Verhaltensempfehlungen der Weltgesundheitsorganisation WHO zum Schutz vor dem Coronavirus, die wir unbedingt einhalten sollten.

(futurezone) – Mehrere Meter Abstand halten, in die Armbeuge husten oder eine Gesichtsmaske verwenden, sind derzeit die obersten Gebote, um andere vor dem Coronavirus zu schützen. Wie wichtig das ganze ist und warum man sich mit Husten und Niesen auch innerhalb der eigenen Familie sofort in Selbstisolation begeben sollte, zeigt ein beeindruckendes Video der Bauhaus-Universität Weimar.

Luftströmungen beim Atmen
In einem Experiment wurde die Atemluft einer Person beim Husten gefilmt – und zwar in verschiedenen Ausgangsszenarien. In dem Schwarz-Weiß-Video wird sichtbar, wie sich die Luftströmungen des Atems im Raum verteilen. Gezeigt wird die Situation zunächst ohne Schutzvorkehrungen, dann mit vorgehaltener Hand, in die Armbeuge und schließlich mit verschiedenen Atemschutzmasken.

Während die Atemluft beim Husten ohne Schutz ungebremst in den Raum geschleudert wird, bietet auch die eigene Hand wenig Schutz. Denn die Atemluft und mittels Tröpfcheninfektion auch das Coronavirus wird über die Hand einfach hinweg geschleudert, wie das Video zeigt. Etwas besseren Schutz bietet das Husten in die Armbeuge. Selbst eine Arbeitsmaske gegen Staub und eine Operationsmaske lässt Atemluft sichtbar durch. Hinsichtlich der Tröpfcheninfektion sollten diese zumindest einen gewissen Schutz bieten.

Schlierenspiegel verdeutlicht Luftströme
Um den Weg der Atemluft sichtbar zu machen, griff der Doktorand Amayu Wakoya Gena zu einem kreativen Mittel. Er setzte einen sogenannten Schlierenspiegel ein, der normalerweise am Institut für Bauphysik zur Visualisierung und Messung von Raumluftströmungen in Innenräumen eingesetzt wird – etwa um zu erforschen, welchen Einfluss das Raumklima auf den menschlichen Körper hat.

„Das Prinzip ist ähnlich wie bei einer überhitzten Straße im Sommer, wenn die Luft über dem Asphalt flimmert“, erklärt Conrad Völker, Professor der Bauphysik an der Bauhaus-Universität Weimar. „Wie über der Straße hat die warme, feuchte Atemluft eine andere Dichte als die kühlere Raumluft. Diese Dichteunterschiede führen zu einer Ablenkung des Lichtes, was dann als dunkle Flecken in einem Foto oder Videobild sichtbar wird.“

Da die Dichteunterschiede bei diesen Luftströmungen extrem gering sind, sind diese nur mithilfe des Schlierenspiegels zu erkennen. Herzstück des Messgerätes ist ein konkaver und extrem fein geschliffener Spiegel mit rund einem Meter Durchmesser. Der Universität zufolge handelt es sich dabei um einen von nur vier Großschlieren-Systemen weltweit, die in unterschiedlichen Forschungsbereichen eingesetzt werden.