Der Thüringer Forschungs­preis 

Die tropischen Wälder sind für die Zukunft unserer Spezies von entscheidender Bedeutung. Bis 2050 werden zwei Drittel der Weltbevölkerung in den Tropen leben, für ihre Ernährung, ihre Ressourcen und ihre Sicherheit werden die Menschen auf die dortigen Wälder angewiesen sein. Die tropischen Wälder beherbergen mehr als die Hälfte der biologischen Vielfalt der Erde, sie beeinflussen das Klimasystem und sind für den Kohlenstoffkreislauf von entscheidender Bedeutung. Deshalb sind sie einer der großen Schwerpunkte der gegenwärtigen Bemühungen, das Anthropozän – das menschengemachte Erdzeitalter – nachhaltig auszurichten. Die lokalen und regionalen Auswirkungen der durch den Menschen hervorgerufenen Veränderungen auf diese Lebensräume haben Rückkopplungen, die weit über die Tropen hinausgehen, was selbst die Bemühungen, die Kohlendioxidemissionen einzudämmen und die postindustrielle Erwärmung unter 2,0 °C zu halten, betrifft. Um diese aktuellen Herausforderungen zu verstehen und gerechte, nachhaltige Lösungen zu finden, gilt es die langfristigen Beziehungen zwischen unserer Spezies und den tropischen Wäldern verstehen.

In der westlichen Literatur und in Filmen werden diese Lebensräume oft als "wild" oder außerhalb der menschlichen Erfahrung dargestellt, man denke nur an das "Dschungelbuch". Wir lassen uns gerne von tropischen Dokumentarfilmen beeindrucken, aber es fällt uns schwer, eine tiefe Verbindung zu den Tropenwäldern herzustellen oder in ihrem Interesse zu handeln. Die Forschungsgruppe von Dr. Patrick Roberts hat in den letzten sieben Jahren die neuesten Methoden angewandt – vom Laserscanning aus der Luft zur Untersuchung menschlicher Spuren am Boden bis hin zur Analyse der genetischen Informationen von Pflanzen, um menschliche Interaktionen mit verschiedenen Arten aufzudecken und um neue Einblicke in die menschliche Geschichte zu erhalten.

Aus Zehntausende Jahre alter, zerstückelter DNA haben Forschende in Jena das Genom unbekannter Bakterien rekonstruiert und ein prähistorisches Molekül wiederhergestellt.

Bakterien bilden zahlreiche Naturstoffe, darunter Antibiotika und andere therapeutische Wirkstoffe. Da sie die Erde seit mehr als drei Milliarden Jahren besiedeln, wird in ausgestorbenen Bakterien eine enorme Vielfalt an Naturstoffen mit Anwendungspotenzial vermutet.

Das Team isolierte die genetische Information steinzeitlicher Mikroorganismen aus fossilem Zahnstein von Neandertalern und modernen Menschen. Mit großem Aufwand konnte die stark zerstückelte DNA der prähistorischen Mundhöhlenflora in größere Fragmente zusammengesetzt werden. Diese wurden nach Bauplänen für Naturstoff-Syntheseenzyme durchmustert. Ein besonders gut erhaltenes bakterielles Genom wurde aus dem Zahnstein der etwa 19.000 Jahre alten „Roten Dame von El Mirón“ rekonstruiert, deren Skelett 2010 in einer spanischen Höhle gefunden wurde.

Es gelang dem Team weltweit erstmals, die steinzeitlichen Gene in lebenden Bakterien zu reaktivieren und die neue Naturstoff-Familie der Paläofurane zu entdecken. Damit wurde der Grundstein gelegt, um die verborgene chemische Vielfalt der Mikroben der Erdgeschichte zu erschließen.

Die Friedrich-Schiller-Universität Jena widmet sich gemeinsam mit den außeruniversitären Instituten in Jena der Erforschung von Naturstoffen, die für die Anwendung, beispielsweise als Antibiotika, in Betracht kommen. Gebündelt wird diese Forschung im Exzellenzcluster Balance of the Microverse. Vor diesem Hintergrund hat das Forschungsteam einen wissenschaftlichen Durchbruch erzielt, der international für erhebliche Furore sorgte und die Tür zu neuen, dringend benötigten Wirkstoffen weit aufstößt. Das Team arbeitet an der Reaktivierung prähistorischer Naturstoffe aus DNA-Bruchstücken, die in fossilen Materialien vorkommen.

Wie erinnern, verarbeiten und erzählen Menschen persönliche Erlebnisse in der jüngeren Geschichte? Diese Frage steht im Mittelpunkt der Forschung der Zeithistorikerin Christiane Kuller im Forschungsverbund „Diktaturerfahrung und Transformation“ und in der daraus hervorgegangenen Oral-History-Forschungsstelle an der Universität Erfurt, die den Übergang von diktatorischen zu postdiktatorischen Regimen untersucht. Für das Verständnis solcher Übergangsphasen in Deutschland, in Europa, aber auch in anderen Weltregionen sind erfahrungsgeschichtliche Zugänge zentral. Denn nicht selten stehen die persönlichen Erinnerungen in einem Spannungsverhältnis zu öffentlichen Vergangenheitsbildern – ein Thema, über das auch in der deutschen Gesellschaft aktuell lebhaft gestritten wird. Zeitgeschichtliche Forschung muss solche Widersprüche ernst nehmen und auch erfahrungsgeschichtliche Narrative in die Analyse und Interpretation historischer Zusammenhänge einbeziehen. Das Forschungsprojekt von Christiane Kuller tut dies über lebensgeschichtliche Interviews mit den Methoden der Oral History.

Dabei steht die Oral History zum einen vor der Herausforderung, ihre Methoden, die in Deutschland in der Endphase des Kalten Krieges und unter den Rahmenbedingungen einer spezifischen westdeutschen Erinnerungskultur zur Untersuchung der NS-Diktatur entwickelt wurden, an die Forschung zu (post)sozialistischen Gesellschaften anzupassen. Hinzu kommt, und darauf zielt der innovative partizipative Kern der Forschungen von Christiane Kuller, dass sich die traditionelle Rolle wissenschaftlicher Forschung in der Gesellschaft gerade stark verändert: Forschung muss sich für gesellschaftliche Mitwirkung öffnen, wenn sie in der Gesellschaft Anerkennung finden will.

Hier setzt die partizipative Erinnerungsforschung an, die auf Transparenz des Forschungsprozesses und die Partizipation einer interessierten Öffentlichkeit zielt. Sie fordert den gesellschaftlichen Dialog in allen Phasen des Forschungsprozesses – von der Projektkonzeption über die Methodendiskussion und die Durchführung der Untersuchung bis hin zu Ergebnisformulierung und -vermittlung. Dieser Dialog wirkt auf der einen Seite in die wissenschaftliche Forschung hinein, indem innovative und gesellschaftlich relevante Fragen generiert werden; gleichzeitig entsteht durch den Austausch in der Gesellschaft ein Verständnis für und eine Akzeptanz von wissenschaftlicher Forschungsarbeit. Die Forschung von Christiane Kuller greift mit ihrem partizipativen Ansatz Forderungen nach einer gesellschaftlich verantwortungsbewussten, ethisch reflektierten und partizipativ legitimierten wissenschaftlichen Forschung auf und erprobt die konkrete Umsetzung im Bereich der Oral History. Ausgehend von einer spezifisch zeithistorischen Forschungsperspektive ist die Forschung in breite interdisziplinäre und internationale Netzwerke eingebunden, um auch eine Methodendiskussion über Fächergrenzen hinweg zu initiieren.

Atomar dünne, zweidimensionale (2D) Materialien sind eine neue und sich rasant entwickelnde Materialklasse. Diese Quantenmaterialien bestehen aus nur einer oder wenigen atomaren Lagen – einem Hauch von nichts; hunderttausendmal dünner als ein menschliches Haar. Trotz ihrer Winzigkeit haben sie einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften, was sie vielversprechend für die Entwicklung von neuen Technologien macht. Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben neue Methoden entwickelt, diese Materialien in die Anwendung zu überführen. Sie haben eine Reihe von technologischen Prozessen gefunden, um 2D-Materialien maßzuschneidern und sie mit industriekompatiblen Verfahren herzustellen. So wurden erstmals elektronische, photonische und optoelektronische Bauelemente hergestellt, die gleichzeitig extrem klein und leistungsfähig sind.

Zu den wichtigsten Durchbrüchen gehören die Erzeugung von atomar dünnen und scharfen p-n-Übergängen, die Synthese von sogenannten Janus-Monoschichten sowie die Integration von 2D-Materialien in Nano-Transistoren, Wellenleitern, Photodetektoren und Li-Metall-Batterien. Diese Fortschritte ebnen den Weg für die technische Weiterentwicklung von Mikro-elektronik mit schnellen und energiesparsamen Prozessoren und Datenspeichern, Quanten-computern and Quantenkommunikation.

Darüber hinaus konnten die Forscher auch zeigen, dass 2D-Materialien unmittelbar in um-weltfreundlichen Technologien zum Einsatz kommen können: als Filter für die Aufbereitung von sauberem Wasser, als mikroskopische Sensoren für Chemikalien, für die Herstellung von effizienteren Katalysatoren, sowie in noch langlebigeren und nicht brennbaren Batteriespeichern mit hoher Energiedichte.

Die Arbeiten von Herrn Prof. Andrey Turchanin und seinem Team um Herrn Dr. Antony George, Herrn Dr. Falk Eilenberger, Herrn Dr. Christof Neumann sind vornehmlich in der Arbeitsgruppe „Angewandte Physikalische Chemie und Molekulare Nanotechnologie“ am Institut für Physikalische Chemie der Friedrich-Schiller-Universität Jena durchgeführt worden. Die Arbeitsgruppe befasst sich in ihren Forschungsschwerpunkten mit der Herstellung von neuartigen 2D-Materialien, ihrer Untersuchung mit modernsten spektroskopischen und mikroskopischen Methoden sowie Ihrer Integration in die innovativen industriekompatiblen Bauelemente. Hierbei decken die Forscher die gesamte Wertschöpfungskette vom grundlegenden mechanistischen und detaillierten Verständnis der Herstellungsprozesse der Materialien, bis hin zur Realisierung und Erprobung von technischen Prototypen, ab.

Energiespeicher für Carnot-Batterien

Das Konzept einer Carnot-Batterie klingt aus thermodynamischer Sicht zunächst sonderbar, da hochwertige elektrische Energie umgewandelt und in Form von Wärmeenergie gespeichert wird. Diese kann später nur zum Teil in elektrische Energie mittels Wärmekraftmaschinen (Dampfkraftwerke) zurückgewandelt werden. Nutzt man aber eine Wärmepumpe, kann mit der zur Verfügung stehenden elektrischen Energie deutlich mehr Wärme aus der Umgebung gewonnen und gespeichert werden. Der geringe Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine kann theoretisch voll ausgeglichen werden. Das große Potenzial liegt darin, dass thermische Energie in großem Maßstab, preiswert, sicher und für die Umwelt unbedenklich gespeichert werden kann. Die Technologie lässt sich mit bestehenden Dampfkraftwerken kombinieren, indem der Dampferzeuger mit der gespeicherten Wärmeenergie betrieben wird. Damit wird erneuerbare Energie grundlastfähig und es können durch die Nutzung bestehender Kraftwerke enorme Kosten eingespart werden. Eine Schlüsselkomponente ist dabei der Speicher, welcher möglichst viel Wärmeenergie möglichst lange speichern muss. Aufgrund der hohen Wärmekapazität kommen hier Flüssigkeiten wie Wasser oder Salzschmelzen, häufig in Form von Schichtenspeichern, zum Einsatz.

Das Forscherteam hat bisher gezeigt, dass solche Speicher deutlich komplexer sind als der einfache Aufbau vermuten lässt. Selbst wenn die Energieverluste nach außen durch geeignete Isolation minimiert werden, kommt es aufgrund der oft deutlich höheren Wärmeleitfähigkeit in den Speicherwänden zu Wärmeströmen. Dadurch wird wandnahe Flüssigkeit im kalten Bereich erwärmt und steigt aufgrund des Dichteunterschiedes auf. Im warmen Bereich wird die wandnahe Flüssigkeit abgekühlt und sinkt ab. Diese beiden Wandströmungen treffen in der Thermokline aufeinander und sorgen für komplexe Strömungsmuster, welche das Speichermedium kontinuierlich mischen. Damit wird die Arbeitsfähigkeit (der Anteil nutzbarer Energie für die Stromerzeugung) stark reduziert. Am Fachgebiet Technische Thermodynamik entwickeln wir moderne laseroptische Messtechniken wodurch die thermodynamischen und strömungsmechanischen Phänomene in thermischen Schichtenspeichern erstmals detailliert beschreiben und verstanden werden können. So konnten wir nachweisen, dass die Wandstrahlen turbulent werden können und weitere Strömungsinstabilitäten mit charakteristischen Frequenzen im Speicher anfachen. Diese Effekte nehmen für große Speicher in ihrer Intensität zu und müssen für effiziente Speicher minimiert werden. Unsere Ergebnisse können direkt zu Verbesserungen beitragen, um mit einfachen Maßnahmen die Speichereffizienz zu erhöhen.

An der TU Ilmenau sollen gemeinsam mit anderen Forschenden im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Schwerpunktprogramms „Carnot-Batterien: Inverser Entwurf vom Markt bis zum Molekül“, interdisziplinär die Grundlagen für zukünftige großtechnische Anlagen geschaffen werden. Dazu sollen die Techniken weiterentwickelt und in innovativen Salzschmelzenspeichern eingesetzt werden, um zukünftig die Effizienz solcher Systeme genau vorhersagen und optimieren zu können.