(Leibniz-Institut) – Frei von staatlichen Eingriffen zu denken und zu leben, mag für uns in Deutschland alltäglich sein – aber es ist nicht selbstverständlich. Unsere grundlegenden Rechte schützt seit mittlerweile 70 Jahren das Grundgesetz, auch mit dem Grundrecht auf Wissenschaftsfreiheit, das freie Forschung und Erkenntnisse für alle ermöglicht. Andernorts kämpfen Menschen bis heute für ein selbstbestimmtes Leben. Wie kann Freiheit ein globales Gut werden?

Freie Forschung braucht unter anderem Autonomie, die Möglichkeit, Ergebnisse frei zu publizieren und finanzielle Förderung. In vielen Ländern finden Forschende diese Bedingungen heute vor; in anderen haben sie mit Repression und staatlichen Eingriffen zu kämpfen. Mit der Publizistin Carolin Emcke und der ungarischen Historikerin Andrea Petö haben wir über Wissenschaftsfreiheit gesprochen – und über ihre Gegner.

Am Leibniz-Zentrum für Zeithistorische Forschung befasst sich die Historikerin Juliane Fürst mit Freigeistern in Zeiten des Kalten Krieges: Inspiriert von den Hippies in den USA träumten in den 1960er Jahren auch in der Sowjetunion junge Menschen von Liebe, Frieden und Rock ’n’ Roll. Doch ihre Suche nach Freiheit brachte die Blumenkinder des Ostens in Konflikt mit dem Regime.

Weltweit erleiden Schätzungen zufolge jährlich 130.000 Menschen eine Querschnittslähmung als Folge eines Unfalls, andere schränkt sie von Geburt an massiv in ihrer Bewegungsfreiheit ein. Am DWI – Leibniz-Institut für Interaktive Materialien in Aachen forscht Laura De Laporte an einer Therapie für Rückenmarksverletzungen. Angetrieben wird sie dabei auch von ihrer persönlichen Geschichte.

Außerdem lesen Sie in leibniz:

Freie Köpfe: Im Mathematischen Forschungsinstitut Oberwolfach treffen sich die Koryphäen des Fachs zum Gedankenaustausch – in Workshops oder bei einer Wanderung durch den Schwarzwald.

Wiederansiedlung: Überfischung, Umweltverschmutzung und Dämme haben den Stör aus Deutschlands Gewässern verdrängt. Leibniz-Forscher arbeiten an seiner Rückkehr.

Homosexuelle Emanzipation: Im Interview spricht der Historiker Michael Schwartz über eine Erfolgsgeschichte mit dunklen Kapiteln und Rückschlägen.

Willensfrage: Wie frei sind unsere Entscheidungen wirklich?

Staubfrei: Selbst winzigste Partikel müssen draußen bleiben. Zu Besuch im Reinraum des IHP – Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik.

Autokratie: Um an der Macht zu bleiben, beschneiden autokratische Regime die Freiheiten ihrer Bürger – und greifen dazu auch auf demokratische Mittel zurück.

Forschungspolitik: Mit Bundesarbeitsminister Hubertus Heil und Wilhelm Bauer vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation hat Leibniz-Präsident Matthias Kleiner über die digitalen Arbeitswelten der Zukunft gesprochen.

Resilienz: Am Römisch-Germanischen Zentralmuseum – Leibniz-Forschungsinstitut für Archäologie untersucht Alexandra W. Busch, was Gesellschaften widerstandsfähig macht.

Nur so ein Vorschlag: In seiner Kolumne lädt Leibniz-Präsident Matthias Kleiner dieses Mal zum Seilspringen ein.

Die Leibniz-Gemeinschaft
Die Leibniz-Gemeinschaft verbindet 95 selbständige Forschungseinrichtungen. Ihre Ausrichtung reicht von den Natur-, Ingenieur- und Umweltwissenschaften über die Wirtschafts-, Raum- und Sozialwissenschaften bis zu den Geisteswissenschaften. Leibniz-Institute widmen sich gesellschaftlich, ökonomisch und ökologisch relevanten Fragen. Sie betreiben erkenntnis- und anwendungsorientierte Forschung, auch in den übergreifenden Leibniz-Forschungsverbünden, sind oder unterhalten wissenschaftliche Infrastrukturen und bieten forschungsbasierte Dienstleistungen an. Die Leibniz-Gemeinschaft setzt Schwerpunkte im Wissenstransfer, vor allem mit den Leibniz-Forschungsmuseen. Sie berät und informiert Politik, Wissenschaft, Wirtschaft und Öffentlichkeit. Leibniz-Einrichtungen pflegen enge Kooperationen mit den Hochschulen – u.a. in Form der Leibniz-WissenschaftsCampi, mit der Industrie und anderen Partnern im In- und Ausland. Sie unterliegen einem transparenten und unabhängigen Begutachtungsverfahren. Aufgrund ihrer gesamtstaatlichen Bedeutung fördern Bund und Länder die Institute der Leibniz-Gemeinschaft gemeinsam. Die Leibniz-Institute beschäftigen knapp 20.000 Personen, darunter etwa die Hälfte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler. Der Gesamtetat der Institute liegt bei mehr als 1,9 Milliarden Euro.

Das IPP Greifswald feiert 25-jähriges Jubiläum

(IPP) – Am 19. Juli 2019 feiert das IPP Greifswald sein 25jähriges Bestehen. Vor einem Vierteljahrhundert wurde es als zweiter Standort des im bayerischen Garching beheimateten Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik (IPP) gegründet. Im IPP Greifswald wird Wendelstein 7-X betrieben, die weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator.

Vor 25 Jahren, am 19. Juli 1994, schlossen das Land Mecklenburg-Vorpommern und die Max-Planck-Gesellschaft den Rahmenvertrag zur Errichtung des IPP-Teilinstitutes in Greifswald. Hier, mehr als 800 Kilometer vom Stamminstitut im bayerischen Garching entfernt, gründete das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik im Zuge des „Forschungsaufbaus Ost“ einen zweiten Standort. Dort sollte die bereits ab den 1980er-Jahren geplante Forschungsanlage Wendelstein 7-X entstehen, die weltweit größte Fusionsanlage vom Typ Stellarator.

Mit unterschiedlichen Anlagen verfolgt man an beiden IPP-Standorten das gleiche Ziel: ein Kraftwerk, das – ähnlich wie die Sonne – Energie aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie gewinnt. Brennstoff ist ein ionisiertes Wasserstoffgas, ein „Plasma“. Zum Zünden des Fusionsfeuers muss es in Magnetfeldern nahezu berührungsfrei eingeschlossen und auf hohe Temperaturen über 100 Millionen Grad aufgeheizt werden. Dabei erarbeitet die Forschungsanlage ASDEX Upgrade in Garching die Grundlagen für ein Fusionskraftwerk vom Typ Tokamak; Wendelstein 7-X in Greifswald soll die Kraftwerkstauglichkeit der Stellaratoren zeigen.

(pte) – Forscher der Rice University haben eine neue, besonders leistungsfähige Entsalzungsanlage entwickelt, die ihre Energie aus der Sonne bezieht. Es handelt sich um eine Fortentwicklung der sogenannten Membrandestillation. Bei diesem Verfahren trennt eine nur für Dampf, nicht jedoch für Wasser durchlässige Membran von der Sonne erwärmtes Salzwasser von kühlem Frischwasser. Der Dampf passiert die Sperre aufgrund des Druckunterschieds und kondensiert zu sauberem Trinkwasser.

Nanopartikel statt Konzentratorlinsen
Die von den Fachleuten eingesetzten Membranen sind aus einem wasserabweisenden Kunststoff gefertigt und haben einen Porendurchmesser von 0,1 bis 0,5 Mikrometern. Um die Ausbeute zu verbessern, lässt sich die Sonneneinstrahlung durch Konzentratorlinsen erhöhen. Das Salzwasser wärmt sich schneller auf, sodass mehr Dampf die Membran passiert. Das Team um Alessandro Alabastri, Assistenzprofessor am Institut für Elektrotechnik und Computerwissenschaften, Pratiksha Dongare, die ihr Studium abgeschlossen hat, und Oara Neumann, entschied sich für einen anderen Weg, um mehr solare Wärme einzufangen.

Die Experten haben Nanopartikel entwickelt, die so designt sind, dass sie Wärme einfangen, wenn sie von den infraroten Strahlen der Sonne getroffen werden. Diese klebten sie auf die Seite der Membran, die der Salzwasserseite zugewandt ist. Diese Hotspots, die einen Wirkungsgrad von 80 Prozent haben, geben ihre Energie an das umliegende Wasser ab, das sich dadurch schneller erhitzt. Die Partikel lassen sich kostengünstig herstellen und auf die Membran kleben.

Schnelle Hilfe für Dritte-Welt-Länder
Physikalisch gesehen, haben die Forscher aus einem linearen einen nicht linearen Prozess gemacht. Die schnellere Erwärmung sorgt für eine überproportional stärker ansteigende Druckdifferenz, die den Transport von Dampfmolekülen durch die Membran beschleunigt. Es habe sich herausgestellt, dass Hotspots wirkungsvoller sind als flächige Wärmeabsorber.

Das Verfahren lässt sich möglicherweise auch auf andere Solartechniken übertragen, etwa die fotokatalytische Wasserspaltung, bei der Wasserstoff entsteht. Millionen Menschen, vor allem in der Dritten Welt, haben nur eingeschränkten Zugang zu sauberem Trinkwasser, außerdem keinen oder kaum Strom. Die Rice-Forscher wollen ihre Verfahren jetzt massentauglich machen, sodass es in diesen Regionen als Trinkwasserspender eingesetzt werden kann.

(pte) – Antennen aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind genauso effektiv wie solche aus Kupfer. Dazu sind sie flexibel, robust und lassen sich auf Unterlagen drucken, etwa auf Bauteile von Smartphones der nächsten Generation (5G). Entwickelt worden sind sie von Forschern der Ingenieurschule an der Rice University .

Acht Meter lange Nanotubes
Chemie- und Biomolekular-Ingenieur Matteo Pasquali arbeitet mit speziell ausgerichteten Filmen aus Nanoröhren. Diese sind wie aufgerolltes Graphen. Die daraus hergestellten Antennen sind den herkömmlichen nicht nur ebenbürtig, sie sind auch dünner und können hohe Frequenzen besser empfangen, wie sie im 5G-Netz verwendet werden. Ein solches ist derzeit weltweit im Aufbau, allerdings mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.

Pasquali hat eng mit dem National Institute of Standards and Technology (NIST) zusammengearbeitet, das die neuartigen Antennen auch testet. Federführend war hier Amram Bengio, der bei Pasquali seine Doktorarbeit schrieb. Er gründete unterdessen ein Unternehmen, um die Antenne weiterzuentwickeln und zur Serienreife zu bringen.

Um die Filme herzustellen, haben die Forscher bis zu acht Meter lange Nanotubes in eine saure Flüssigkeit gegeben. Diese sprühten sie auf eine Unterlage. Scherkräfte sorgten dort dafür, dass sich die Röhrchen eigenständig zu einem Film formierten. Dieses Phänomen hatte Pasquali bereits früher beschrieben.

Auch für Drohnen gut nutzbar
Oft wird zur Herstellung dünner Filme die Gasphasenabscheidung genutzt. Sie ist in diesem Fall aber weniger gut geeignet, so Pasquali. Die Abscheidung aus der Flüssigphase sei besser skalierbar und ermögliche eine kontinuierliche Herstellung. Die Filme sind zwischen einem und sieben Mikrometer dick. Die Röhrchen werden von Van-der-Waals-Kräften zusammengehalten, die dem Material bessere Eigenschaften verleihen, als Kupfer sie ausweist.

Den Forschern zufolge sind die Antennen nicht nur für 5G-Handys geeignet, sondern auch für die Kommunikation mit unbemannten Luftfahrzeugen, bei denen Gewicht eine wichtige Rolle spielt. Auch sei die Neuentwicklung für die Exploration von Öl und Gas nutzbar. „Ohne die wissenschaftliche Kompetenz und die experimentellen Möglichkeiten des NIST hätten wir unser Ziel nie erreicht“, sagt Pasquali. Unterstützung gab es auch von gleich drei Forschungseinrichtungen des US-Militärs.

(pte) – Eine Matte aus zahlreichen nebeneinander angeordneten, ringförmigen Resonatoren verwandeln einen mittelstarken Magnetresonanztomografen (MRT) in eine Supermaschine. Das Kunststück ist Xin Zhang, Stephan Anderson und ihrem Team vom Photonic-Center der Boston University  gelungen. Die Röhrchen bestehen aus Kunststoff und Kupfer. Diese Materialien sind so miteinander verbunden, dass es dafür kein Vorbild in der Natur gibt. Es handelt sich folglich um ein Metamaterial mit magnetischen Eigenschaften.

Radiosignale stören Ordnung
MRT werden vor allem im medizinischen Bereich genutzt, um Bilder vom Inneren des Körpers zu erzeugen. Das Verfahren ist auch für die Industrie interessant, etwa, um das Innere von Werkstoffen sichtbar zu machen. Der Tomograf erzeugt ein starkes Magnetfeld, beispielsweise 1,5 Tesla. Das ist das 30.000-Fache des Erdmagnetfelds. Das Magnetfeld richtet Wasserstoffatome so aus, dass sie alle in eine Richtung zeigen. Diese schöne Ordnung stört ein kurzes Radiosignal. Danach kehren die Wasserstoffatome zur alten Ordnung zurück. Dabei senden sie ihrerseits Signale aus, die von Sensoren registriert werden. Aus einer Vielzahl solcher Signale errechnet ein Computer dann ein Bild.

Damit eine hohe Auflösung erreicht wird und aussagekräftig ist, dauert die Aufnahme bis zu eine Stunde lang. Der neuartige Resonator halbiert die Zeit, die zur Erstellung von Bildern mit der gleichen Auflösung benötigt wird. Er wirkt gewissermaßen wie ein Signalverstärker. Das erleichtert es nicht nur den Patienten, es senkt auch die Kosten für den Betrieb der teuren Geräte. Den gleichen Effekt kann man auch mit MRT erreichen, die stärkere Magnetfelder erzeugen. Doch diese sind weitaus teurer. Umgekehrt können MRT mit weit kleineren Magnetfeldern gebaut werden, um in der Industrie eingesetzt zu werden. Das kann den Anwendungsbereich dieser Technologie stark erweitern.

Kunststoffstruktur aus 3D-Drucker
Die Resonatoren in der Matte sind drei Zentimeter hoch. Die Kunststoffstruktur wird per 3D-Druck hergestellt. Dazu kommt feiner Kupferdraht. Die Matten sind flexibel, sodass sie sich an die Körperteile anschmiegen, die per MRT untersucht werden, etwa an Knie oder Bauch. Die Resonatoren treten in eine Wechselwirkung mit dem Magnetfeld. Das verbessert die Signalstärke und damit die Auflösung des Bildes. „Viele Menschen sind erstaunt über die Einfachheit der Innovation. Dabei ist es kein Wundermaterial. Die Magie liegt im Design und in der Idee“, so Zhang.

(pte) – US-Forscher der University of Colorado  haben lebende Fabriken entwickelt, die CO2 aufnehmen und es in nützliche Produkte wie natürlich abbaubaren Kunststoff, Benzin oder Diesel umwandeln. Nanobiohybrid-Organismen, wie Forscher Prashant Nagpal von der University of Colorado  die winzigen Fabriken nennt, verarbeiten auch Stickstoff aus der Luft und wandeln ihn in den Chemierohstoff Ammonium um.

Indirektes Sonnenlicht reicht
Nagpals Team hat winzige Halbleiter, sogenannten Quantenpunkte, in den Kern von Mikroorganismen geschossen. Am Ziel angekommen, formieren sie sich gemeinsam mit den dort vorhandenen biologisch aktiven Substanzen zu Enzymen. Werden diese mit Licht einer bestimmen Wellenlänge aktiviert, verschlingen die Mikroorganismen CO2 beziehungsweise Stickstoff und wandeln diese Elemente in Wertstoffe um.

Mittlerweile hat das Team seine Biofabriken so weit verbessert, dass sie sich mit indirektem Sonnenlicht als Aktivator begnügen. Zur Produktion von Sprit ist keine externe Energiequelle nötig. Die Mikroorganismen befinden sich im Wasser. Die Wertstoffe, die sie produzieren, steigen an die Oberfläche, von der sie abgeschöpft werden können. Unterschiedliche Kombinationen von Quantenpunkten und Licht ergeben unterschiedliche Produkte. Dazu ist allerdings Kunstlicht nötig. Ist es grünlich, so verspeisen die Mikroorganismen Stickstoff und wandeln ihn in Ammonium um. Werden sie mit rotem Licht aktiviert, entsteht Kunststoff.

Mikroorganismen regenerierbar
Der Prozess hat gute Voraussetzungen, auch in größerem Maßstab zu funktionieren. Bei den Experimenten zeigte sich, dass sich die Mikroorganismen sogar regenerieren, also relativ selten ersetzt werden müssen, weil ihre Effektivität nachlässt. „Wir waren erstaunt, dass der Prozess so elegant funktioniert“, sagt Nagpal. Er kann sich vorstellen, dass häusliche und industrielle Heizungssysteme per Pipeline mit einer Biofabrik verbunden werden, die CO2 transportiert. Das könnte dann dezentral in Wertstoffe umgewandelt werden.

(pte) – Welche Chancen und Risiken mit der Digitalisierung und den Anwendungen Künstlicher Intelligenz (KI) auf Europa zukommen, diskutierte eine gut besetzte Expertenrunde im Rahmen des letzten Panel des Wirtschaftsforums bei den Europäischen Toleranzgesprächen am vergangenen Freitagnachmittag im Kärntner Bergdorf Fresach. Zur Vorsicht vor möglicher Überwachung durch ausgeklügelte Algorithmen mahnte dabei die Technologieforscherin Petra Schaper-Rinkel vom Austrian Institute of Technology (AIT), dem könne man nur mit vermehrter Transparenz begegnen.

Die von Thomas Cik moderierte Diskussionsrunde war sich einig, dass KI großartige Entwicklungsmöglichkeiten bietet, und das nicht nur für den urbanen Raum. Vor allem in der Land- und Forstwirtschaft und im Bereich Nachhaltigkeit tun sich ganz neue Möglichkeiten auf. Potenzielle Gefahren durch die neuen Technologien sehen die Experten im leichtsinnigen Umgang vieler Menschen mit ihren Daten, Algorithmen seien gerade in autokratischen Systemen eine Bedrohung für Menschen- und Bürgerrechte.

Petra Schaper-Rinkel, Senior Scientist für Zukunftstechnologien, zeigte sich zufrieden mit den technologischen Errungenschaften Europas, kritisierte aber die Dominanz der US-Monopole bei der digitalen Infrastruktur. „Unternehmen wie Amazon und Facebook profitieren am meisten von der Vernetzung Europas. Sie benutzen KI, um alle möglichen Informationen über uns zu sammeln.“ Europa brauche eigene Algorithmen und Transparenz, damit man weiß, wohin die Daten wandern.

Mensch verlernt Freundschaft
Iris Straßer, Initiatorin und Leiterin des Unternehmensnetzwerks „Verantwortung zeigen“, stellte die Frage in den Raum, ob der einzelne Mensch bei der aktuell rasanten Digitalisierung nicht auf der Strecke bleiben könnte. „Wir müssen uns selbstverständlich fragen, wie wir mit neuen Technologien umgehen und was sie mit unserer Gesellschaft machen. Es ist essenziell, den Menschen mehr Wissen nicht nur über die Technologie selbst zu vermitteln, sondern auch über ihre möglichen Auswirkungen“, sagte Straßer.

Großen Einfluss haben KI-Anwendungen nicht zuletzt auf zwischenmenschliche Beziehungen, warnte Petra Schaper-Rinkel. „Viele fühlen sich durch Computer heute oft besser verstanden als durch Freunde. Sie verlernen dadurch, wie echte Freundschaften funktionieren, ertragen es nicht mehr, wenn das Gegenüber widerspricht“, sagte die Zukunftsforscherin. „KIs sind keine Freunde, sondern sie dienen uns. Das dürfen wir nicht miteinander verwechseln. Sie können uns aber viele Arbeitsvorgänge abnehmen und uns so mehr Zeit gerade für zwischenmenschliche Beziehungen verschaffen.“

Wachsam bleiben bei Überwachung
Der Theater und Drehbuchautor Dimitré Dinev, in seiner Jugend in Bulgarien selbst staatlicher Überwachung und Unterdrückung ausgesetzt, warnte vor dem leichtsinnigen Preisgeben von persönlichen Informationen im Netz. „Es ist erschreckend, was man anhand von Daten mit Menschen machen kann. Man kann sie auf Schritt und Tritt verfolgen und sogar erpressen. Doch wenn man eine echte Diktatur wie den Kommunismus in Bulgarien erlebt hat, ist Amazon dagegen ziemlich zahm. Solange die neuen Technologien nicht die Beziehungen zwischen Menschen zerstören, so wie das Diktaturen machen, müssen wir keine Angst vor ihnen haben. Trotzdem müssen wir wachsam bleiben.“

Auch Petra Schaper-Rinkel mahnte eindringlich zur Vorsicht vor Algorithmen. „Alexa etwa kann alle möglichen Eindrücke wie zum Beispiel Geräusche aufzeichnen und verschicken, wobei wir oft nicht einmal wissen, wohin. Besonders gefährlich ist das in undemokratischen Systemen wie in China, wo nicht nur die Privatsphäre des Einzelnen bedroht, sondern ganze Familien der Überwachung ausgesetzt sind, wenn sie in Sippenhaft kommen.“

KI hilft Region
Christian Philipp, Kommunikationschef beim Silicon Alps Cluster, zeigte sich optimistischer, was die Sammlung von Daten angeht. „Früher haben die lokalen Geschäftsleute gewusst, was unsere Präferenzen sind. Das ist keine Überwachung, sondern soziale Intelligenz. Zum Problem wird KI erst, wenn sie sich selbst entwickeln kann, aber davon sind wir noch weit entfernt. Wir müssen uns der Technologie stellen und dürfen sie nicht verteufeln.“ Philipp sieht bei KI vor allem für die Region großes Potenzial. „Kärnten könnte in Europa in diesem Bereich eine Vorreiterrolle einnehmen. Dafür brauchen wir Mut zu großen Zielen“, forderte Philipp.

Philipp Hungerländer, CEO des Kärntner Start-ups HEX, meinte, dass KI das Leben in der Region nachhaltiger gestalten könne: „Durch mathematische Algorithmen kann man zum Beispiel die Mobilität im ländlichen Raum punktgenau koordinieren. Dadurch können wir den Verkehr entlasten und – durch Sharing Economy – die Ressource Auto effizienter und nachhaltiger nutzen.“