Der Thüringer Forschungs­preis 

Stefan Matuscheks Buch Der gedichtete Himmel. Eine Geschichte der Romantik erschließt den Zusammenhang der europäischen Romantik auf neue Weise, indem es sie als den – nach der Aufklärung – zweiten Impuls zur europäischen Moderne verstehen lässt. Er liegt darin, einen eigenen Stil für diejenigen Perspektiven zu finden, die über die Verhältnisse von Vernunft und Wissenschaften gehen: Fragen nach den großen Zusammenhängen, nach dem Sinn des Lebens, nach der Unsterblichkeit der Seele etwa. Auch aufgeklärte Menschen werden von solchen Fragen umgetrieben, auch wenn sie wissen, dass sie sie auf der Höhe ihrer Vernunft nicht beantworten können. Das epochal Neue der romantischen Literatur sieht Matuschek darin, dass sie auf genau diese Situation reagiert, und zwar durch eine stilistische Innovation. Sie stellt die für die arbeitsteiligen Wissenschaften zu großen Perspektiven so dar, dass man sie als Produkte der menschlichen Einbildungskraft erkennt. Die romantische Kunst liegt dabei darin, dass diese Perspektiven nicht als ‚bloße‘ Einbildungen hinfällig werden, sondern sich in ihnen gerade die reale Lebenswirksamkeit der menschlichen Einbildungskraft zeigt. So entsteht eine subjektivierte Form von Metaphysik, deren Autorität nichts anderes als ihre ästhetische Überzeugungskraft ist. So gesehen, erscheint die Romantik als das wirksamste Gegenmittel gegen jeden Fundamentalismus. Sie macht stilistisch evident, wo und wie Menschen über die Verhältnisse ihrer Vernunft leben.

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Quantenphysik live!

Modernste Rastersondenmikroskope ermöglichen den Zutritt zum Nanokosmos. Durch die atomar präzise Bildgebung ist die Quantenwelt unserer Anschauung direkt zugänglich. Damit verlieren Konzepte wie jenes der Materiewelle ihren abstrakten Charakter, da Elektronenwellen rastertunnelmikroskopisch direkt sichtbar sind. Der Nanokosmos ist darüber hinaus im wahren Sinne des Wortes greifbar. Die Spitzen der Mikroskope dienen als probate Werkzeuge, um artifizielle Strukturen – Nano-Laboratorien – Atom für Atom zu konstruieren. Dies ist für die Grundlagenforschung in Physik von höchster Bedeutung: An modellhaften Systemen ist der Erkenntnisgewinn maximal, da sich Mechanismen und Prinzipien der Quantenphysik ableiten lassen, die auch für komplexere Aufbauten gelten. Es ist sogar möglich, die Spitzen durch Anlagerung einzelner Atome oder Moleküle in empfindliche Sensoren zu verwandeln. Damit untersucht man Supraleitung durch molekulare Stromkreise, die in zukünftigen Rechnerarchitekturen oder neuromorphen Schaltungen bedeutsam sind. Reaktive Zentren biologisch und chemisch relevanter Moleküle werden anhand dieser Spitzen mit atomarer Auflösung identifiziert. Die Konzeption und Herstellung funktioneller Moleküle etwa für die Nanomedizin lässt sich durch derart speziell präparierte Mikroskopsonden unterstützen. Schließlich bringen Rastersondenmethoden einzelne Moleküle zum Leuchten und weisen einen neuartigen Weg in die Informations- und Verschlüsselungstechnologie auf. Die Quanten sind nicht länger ein „Akt der Verzweiflung‟, wie Max Planck sie bei ihrer Einführung in die Physik bezeichnete, sondern vielmehr ein erhellender Blick in die Zukunft.

Der Nachweis fundamentaler Quanteneffekte in ultradünnen Strukturen aus Niobnitrid

Die sich anbahnende zweite Ära der Quantenrevolution wird noch stärker als die erste mit ihren bereits heute allgegenwärtigen Technologien, wie z.B. Transistor, Atomuhren und Laser/Maser, Einfluss auf unser Leben nehmen. Ein Forscherteam aus Jena hat mit neuen ultradünnen Schichten aus ungeordnet-supraleitendem Niobnitrid den Grundstein für den Nachweis fundamentaler Quanteneffekte und deren zukünftiges Anwendungspotential gelegt.

Quantentechnologien und Supraleitung sind zwei eng verbundene Forschungsgebiete, auf denen in den vergangenen Jahrzehnten wiederholt Nobelpreise, wie auch in diesem Jahr, verliehen wurden. So auch 1973 für den nach Brian Josephson benannten Tunnelkontakt.

Ein ähnlich großes Anwendungspotential wie der Josephson-Kontakt hat auch sein quantenmechanisches Gegenstück, der so genannte kohärente Quanten-Phase-Slip-Kontakt (CQPS), bei dem im Vergleich zum Josephson-Kontakt die Rolle von Ladung und Phase vertauscht sind. Der Zugang zu dessen Nutzung war bislang jedoch versperrt, weil der experimentelle Nachweis jahrzehntelang fehlschlug. Forscher des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien haben jetzt einen Durchbruch erzielt: In dem sie das unkonventionell supraleitende Material Niobnitrid (NbN) in Form extrem dünner Schichten herstellten, konnten erstmalig die von einem CQPS-Kontakt erwarteten Stromstufen von einem internationalen Team nachgewiesen werden. Dies ermöglichten die Jenaer Wissenschaftler mit einem Verfahren, in dem einzelne Atomlagen kontrolliert abgeschieden werden.

Neben den bereits etablierten Anwendungen der Supraleitung, wie Kernspintomographie oder Quantensensorik, ermöglichen die NbN-Schichten neuartige hochtechnologische Bau-elemente für Quantencomputer, Einzelphotonendetektoren für Quantenkommunikation, und vor allem für die Schließung des quantenmetrologischen Dreiecks, der Darstellung der elektrischen Größen Strom und Spannung mit Quantennormalen.

Wir verstehen Gesellschaften besser, wenn wir ihre räumlichen Dimensionen analysieren und ihre historische Entwicklung beleuchten. Dies gilt für vergangene Gesellschaften, die unsere Gegenwart mitprägen, wie auch für heutige fremde Kulturen, mit denen wir in Beziehung stehen – sei es durch Handel, Reisen, Migration oder Vergleiche und Bewertungen.

Susanne Rau, Professorin für „Geschichte und Kulturen der Räume in der Neuzeit“, hat die Kategorie ‚Raum‘ für die Analyse historischer Gesellschaften fruchtbar gemacht und damit der Geschichtswissenschaft einen sichtbaren Platz in der bis dato sozialwissenschaftlich geprägten Debatte gegeben. Darauf aufbauend hat sie eine Methode zur Erforschung historischer Räumlichkeiten, die auch Zeitlichkeiten und Dynamiken mitdenkt, grundständig entwickelt und damit die spezifisch historisch-kulturwissenschaftliche Raumforschung maßgeblich etabliert. Diese Methode, die sie in einem dialektischen Prozess von historischen Quellenstudien und kritischer Auseinandersetzung mit Raumtheorien entwickelte, hat zu einem neuen Verständnis der Raumvorstellungen und -praktiken in Städten seit dem späten Mittelalter geführt.

Ihre Forschungsleistung besteht darüber hinaus in der Anwendung und Diffusion dieser Methode in der Geschichtswissenschaft (Stadt-, Kartographie-, Handels- und Religionsgeschichte) sowie in der interdisziplinären und internationalen Zusammenarbeit. Diese zeigt sich in mehreren Projekten wie der am Max-Weber-Kolleg der Universität Erfurt angesiedelten Kolleg-Forschungsgruppe „Religion und Urbanität“ mit ihren bis dato über 50 Fellows aus der ganzen Welt, die Erfurt zu einem Ort für internationale Spitzenforschung gemacht haben.

Das unsichtbare sichtbar zu machen, und den flüchtigen Augenblick festzuhalten, das ist Forschern der Friedrich-Schiller-Universität Jena mit ihren Verfahren der zeitaufgelösten Absorptionsspektroelektrochemie und in operando Absorptionsspektroskopie gelungen. Im Rahmen ihrer Arbeit zur Erforschung neuartiger Verfahren zur umweltfreundlichen und emissionsfreien Produktion und Speicherung erneuerbarer Energien haben die Forscher erfolgreich ein optisches Messverfahren entwickelt, das erstmalig die dabei ablaufenden chemischen Reaktionen entlang der gesamten Prozesskette detailliert untersuchen kann, um z.B. die Effizienz zu steigern. Die Schlüsselrolle bei der Umwandlung und chemischen Speicherung stellen sogenannte Katalysatoren dar. Das sind Stoffe, die chemische Prozesse stark beschleunigen und aus praktisch allen relevanten chemischen Verfahren nicht wegzudenken sind. Bisher werden solche Katalysatoren durch Versuch-und-Irrtum optimiert. Das Verfahren der Jenaer Forscher erlaubt es nun, die Funktionsweise von der Natur inspirierter artifizieller Photokatalysatoren zu beobachten. Hier treten kurzlebige Zwischenprodukte auf, deren Eigenschaften und Reaktionen entscheidend für den Gesamtprozess sind und die sich nun erstmals untersuchen lassen. Die Verfahren der zeitaufgelösten Absorptionsspektroelektrochemie und in operando Absorptionsspektroskopie sollen in Zukunft auch zur Erforschung Licht-getriebener Prozesse für die CO2-Speicherung zur Reduzierung von Treibhausgasen eingesetzt werden und versprechen vielfältige Einblicke in die Welt des Unsichtbaren.

Erschwingliches Internet, Fortschritte in der Medientechnik und vielfältige Abspielgeräte haben das starke Wachstum von Videostreaming ermöglicht. Das menschliche Qualitätserleben ist dabei ein entscheidendes Kriterium für den Erfolg von Streaming- und Netzanbietern, die deshalb umfassende und kontinuierliche Messungen durchführen. Unterschiedliche technische Faktoren bestimmen die Qualität, wie Übertragungsverfahren, Datenrate, Auflösung, oder auftretende Fehler. Qualitätserleben ereignet sich jedoch in der menschlichen Wahrnehmung und ist daher nicht direkt zugänglich für automatische Messungen. Hier stellen Computermodelle zur Schätzung der wahrgenommenen Qualität eine technische Alternative dar, wenn sie die menschliche Wahrnehmung genau genug abbilden. Der Forschungsbeitrag präsentiert international prämierte technische Modelle zur Qualitätsmessung von Videostreaming. Für eine optimale Einbeziehung der Sicht der Nutzerinnen und Nutzer wurden umfassende Labortests und Studien zur Analyse von Videostreaming durchgeführt. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die entwickelten Modelle sehr gut mit der menschlichen Wahrnehmung übereinstimmen, weshalb sie in zwei Wettbewerben als internationale Messstandards ausgewählt worden sind (International Telecommunication Union). Mit den menschzentrierten Verfahren können Netz- und Streaming Anbieter ihre Qualität kontrollieren und optimieren, für zufriedene Kundschaft bei effizientem Einsatz von Energie und technischen Ressourcen.

Biopartikel sind grundlegende Bausteine unserer Geo- und Biosphäre. Als Zellen bilden sie die Grundlage belebter Materie, als Krankheitserreger und Allergene sind sie gesundheitsrelevant, als wertstoffbildende Mikroorganismen ermöglichen sie die nachhaltige, biotechnologische Herstellung von Lebensmitteln, Wertstoffen, Medikamenten und Energieträgern. Dabei sind Vitalfunktionen von Biopartikeln häufig an bestimmte, morphologische Merkmale geknüpft sodass sich aus der Morphologie auf die jeweilige Funktion schließen lässt. Dies begründet den hohen Stellenwert bildgestützter Verfahren der Biopartikel-Analyse für das Verständnis der Funktion von Biopartikeln und deren Einfluss auf Umwelt und Biosysteme. Dabei gilt es häufig, eine große Anzahl von Biopartikeln sowohl auf der Ebene der einzelnen Spezies, aber auch hinsichtlich der Zusammensetzung einer Population zu untersuchen. Hierin liegt die Stärke der bildgestützten Durchflusszytometrie, bei welcher die zu untersuchenden Partikel als Suspension eine mikrofludische Messzelle durchströmen und dabei mittels digitaler Mikroskopie erfasst und abgebildet werden. Die Analyse der erhaltenen Messbilder liefert die gewünschten Informationen über die Zusammensetzung der untersuchten Partikel-Population und die Natur der darin enthaltenen Einzelpartikel.

Mit dem entwickelten mikrofluidischen System können in nur einer Sekunde mehr als 10.000 passbildartige Datensätze von Einzelpartikeln aufgenommen werden. Diese Daten liefern detaillierte Einsichten in die Struktur gesundheitsrelevanter Zellen, die Geometrie von allergenen Pollenpartikeln und die molekulare Verteilung von Wertstoffen in biotechnisch genutzten Mikroalgen. Mit der integrierten Sortierfunktion können einzelne Biopartikel identifiziert und separiert werden.

Einen zukunftsweisenden Anwendungsfall sehen die Entwickler in der Algen-Biotechnologie. Erstmals können hier der Wertstoffgehalt (Astaxantin), die Photosynthese-Aktivität (Gehalt an Chlorophyll) und der Zell-Typ im Hochdurchsatz für jede einzelne Mikroalge individuell quantifiziert werden. Darüber hinaus ist das Ergebnis vor Ort innerhalb weniger Minuten verfügbar und könnte somit direkt zur Steuerung der Bioproduktionsanlage genutzt werden.

Derzeit erleben wir, wie sich die abwasserbasierte Epidemiologie auf Basis von PCR-Tests und anderen molekularbiologischen Verfahren durchsetzt. Das Potenzial ist erst in Ansätzen erkennbar. Das Corona-Monitoring in Kläranalagen hat dieser Entwicklung Schub verliehen. In das bis August 2022 laufende Projekt „SARS-CoV-2 Abwassermonitoring in Thüringen“ wurden 23 Kläranlagen und rund 40 Prozent der Thüringer Bevölkerung einbezogen. Verbundpartner waren die Bauhaus-Universität Weimar und die Analytik Jena GmbH. Als weitere Partner wirkten die HS Hamm-Lippstadt und die TU Hamburg mit.

Bei den Kläranlagen wurden bis zu zwei Mal wöchentlich Proben entnommen und an der Bauhaus-Universität Weimar untersucht. In Kooperation mit Akteuren der Abwasserwirtschaft und des Öffentlichen Gesundheitsdienstes konnte die Umsetzbarkeit des Abwassermonitorings aufgezeigt werden. Zum Einsatz kam eine Komplettlösung von Analytik Jena, die von der Probennahme über die Probenvorbereitung bis zum PCR-Resultat binnen drei bis vier Stunden für Gewissheit sorgt und nur weniger händischer Schritte bedarf. Das eingesetzte Verfahren birgt viel Potenzial für die Zukunft: Mit derselben Gerätekonstellation kann man der Verbreitung anderer Pathogene in der Bevölkerung erfassen. Frühwarn- und Monitoringsysteme sind beispielsweise für diverse Viren (Hepatitis-, Polio-, Noro- und Influenzaviren), bakterielle Pathogene (Salmonellen, Clostridien, Legionellen) und für die Verbreitung von Antibiotikaresistenzen denkbar

Der diesjährige Nobelpreis für Physik hat sichtbar gemacht, dass die scheinbar seltsamen Gesetze der Quantenphysik keine mystischen Vorstellungen sind, sondern dem experimentellen Test der Realität standhalten. Mehr noch; wir können aus der Quantenphysik wichtige Anwendungen ableiten: unabhörbare Kommunikation, neue Diagnoseverfahren, Computer, um bisher unlösbare Probleme zu knacken.

Das interdisziplinäre Forscherteam hat es sich zum Ziel gesetzt, diese Anwendungen Realität werden zu lassen. Sie entwickeln dazu neue Materialien, welche Quantenobjekte auf weniger als einem Nanometer kontrollieren und neue optische Komponenten für Quantenlicht mit denen ganze Laboraufbauten „in die Hosentasche gepackt“ werden können. Sie leisten wichtige Forschungsimpulse, die in zahlreichen Publikationen international anerkannt sind und prägen durch innovative Lehrformate, wie der Ausbildung an realen Quantencomputern, Innovationsträger von heute und morgen und bestätigen, dass die Optik das innovative Herz Thüringens ist.

Sie nutzen dabei exzellente Grundlagenforschung als Treiber für Durchbruchsinnovationen. Sie beschränken sich nicht auf die Publikation von Papern, sondern kooperieren mit zahlreichen Akteuren der Thüringer High-Tech-Industrie; um beispielsweise unabhörbare Quantenschlüssel mit hoher Datenrate zwischen Erfurt und Jena zu „beamen“ und neue Mikroskope zu bauen, die Abbildungen aus Licht schaffen, dass niemals mit dem Untersuchungsobjekt wechselgewirkt hat.

In Folge des Weltklimaabkommens von Paris, sollen die Treibhausgasemissionen bis 2050 auf null zurückgefahren werden. Diese internationalen Verpflichtungen spiegeln sich auch in der deutschen Energie- und Klimapolitik wider, die eine klimaneutrale Gesellschaft bis zum Jahr 2045 zum Ziel hat. Größte Bedeutung dafür hat das Energiesystem, das derzeit mehr als dreiviertel der Treibhausgasemissionen verursacht.

Wie kann ein solches, klimaneutrales Energiesystem für ein industrialisiertes Land aussehen? Welche Technologien stehen uns zur Verfügung, um unseren Energiebedarf an Strom, Wärme und Mobilität zu decken? Welche Speicher werden dafür benötigt? Und schließlich: welche Schritte müssen Politik und Gesellschaft dafür gehen?

Antworten auf diese Fragen können mit Hilfe von Energiesystemmodellen abgeleitet werden. Energiesystemmodelle sind Rechenprogramme, die ermitteln, wie ein gegebener Energieverbrauch zu jedem Zeitpunkt durch unterschiedliche Erzeugungs-, Speicher- und Sektorkopplungstechnologien gedeckt werden kann. Das Energiesystem kann hinsichtlich eines vorgebbaren Kriteriums optimiert werden. Dies können z.B. minimale Kosten oder CO2-Emissionen sein. Energiesystemmodelle helfen also, ein optimales Zusammenspiel unterschiedlicher Technologien zu ermitteln, mit dem der Energiebedarf an Strom, Wärme und Mobilität zu jedem Zeitpunkt gedeckt werden kann.

Im Rahmen dieses Projektes wurde ein Open-Source Modell für komplexe Energiesysteme entwickelt und mit allen notwendigen Parametern der Öffentlichkeit frei zur Verfügung gestellt. Das Energiesystemmodell wurde intensiv am Beispiel Thüringen getestet und erlaubt eine einfache Übertragung auf die Energiesysteme von Kommunen, Stadtwerken, Wohnungsgesellschaften oder Industriebetrieben.