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21.12.2007
Scientific Award 2007: Der Wissenschaftsnachwuchs und seine Ideen
Ein Artikel über die Verleihung des Scientific Awards an junge Wissenschaftler
Da hätten auch die diesjährigen Nobelpreisgewinner aus Deutschland nicht schlecht gestaunt: am Donnerstag, den 6. Dezember, wurden sechs Nachwuchswissenschaftler für ihre herausragenden Doktor- und Diplomarbeiten mit dem Scientific Award der BMW Group ausgezeichnet, einem der renommiertesten und höchstdotierten Preise für Nachwuchswissenschaftler. Ihre Themen waren dabei so vielfältig wie faszinierend. Torsten Kroker zum Beispiel entwickelte völlig neuartige Verarbeitungstechniken für den praktischen Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in der Industrie und erhielt dafür den dritten Preis in der Kategorie Dissertationen. Der Wissenschaftler könnte sich vorstellen, die so genannten carbon nanotubes (CNTs) in der Medizintechnik einzusetzen, beispielsweise bei implantierbaren Mini-Insulinpumpen. Und weil sich CNTs unter Strom wie Muskelfasern zusammen ziehen, hält Kroker selbst die Herstellung künstlicher Muskeln für denkbar.
Ebenfalls an einem Informatik-Institut und dennoch in einem ganz anderen Bereich, entstand die zweitplatzierte Doktorarbeit von Arnulph Fuhrmann. Er hat eine Software entwickelt, die interaktive und realitätsgetreue Animationen von Textilien ermöglicht. Seine virtuellen Stoffe legen sich wie die realen Vorbilder in Echtzeit um den Körper und passen sich dessen Bewegungen an. Für die Modebranche wird es so möglich, Produkte und Designs in einer virtuellen Umgebung zu entwerfen und zu präsentieren.
Der Gewinner des ersten Preises der Kategorie Dissertationen treibt die Forschung im Bereich der Zellbiologie voran: Ali Khademhosseini aus Kanada hat ihm Rahmen seiner Doktorarbeit herausgefunden, dass statt einer großen Petrischale auch eine Minifläche in Form eines Chips ausreicht, um lebende Zellen zu kultivieren. Mit Verfahren der Mikrosystemtechnik und dank ultrafeiner Strukturen lassen sich die Anordnung und die Wachstumsbedingungen einzelner Stellen darin genau steuern. Damit eröffnen sich für Biologen, Pharmazeuten und Mediziner bisher ungeahnte Therapiemöglichkeiten, z.B. bei der Vermehrung von Ersatzgewebe für die regenerative Medizin. Dem gebürtigen Iraner ist es bereits gelungen, Herzmuskelzellen im Labor so wachsen zu lassen, dass sie einen Zellverband bilden, der selbständig und kontrolliert schlägt.
Die Gewinnerin des Scientific Awards in der Kategorie Diplomarbeiten entwickelte eine spezielle Software, die dreidimensional visualisiert, wie das Blut durch die verzweigten Adern unseres Körpers fließt. Bisher zeigten die so genannten Angiogramme den Ärzten das Gefäßsystem nur in zwei Dimensionen. Die neue Technik von Esther-Sabrina Platzer verbessert nicht nur die Analyse, sondern senkt auch die Strahlenbelastung für die Patienten, denn sie benötigt weniger Röntgenaufnahmen.
Der dritte Preis in dieser Kategorie ging ebenfalls an eine weibliche Nachwuchswissenschaftlerin: Franziska Lautenschläger entwickelte ein Verfahren, mit dem sich Stammzellen allein anhand ihrer Verformbarkeit identifizieren lassen. Diese Technik funktioniert berührungslos mit Laserlicht, so dass die untersuchten Zellen intakt bleiben und genauere Ergebnisse möglich sind als mit dem bisher üblichen Markerverfahren mit Antikörpern.
Mit Laserzündung zu weniger Kraftstoffverbrauch und Emissionen
Die zweitplatzierte Arbeit von Johannes Tauer könnte besonders für die Automobilindustrie eines Tages interessant werden. Der Wiener Physiker revolutioniert ein 100 Jahre altes System: statt elektrischen Zündkerzen soll in Zukunft energiereiches Laserlicht Gas- und Benzinmotoren zum zünden bringen. Im Rahmen seiner Diplomarbeit entwickelte Tauer den Prototypen einer Laserzündkerze, mit der sich die Leistung von Motoren steigern ließe, während zu gleich Verbrauch und Schadstoffausstoß sinken. „Die Idee mit einem Laser brennbare Gemische zu zünden ist nicht neu“, sagt der Österreicher, „Nur wenige Jahre nach der ersten experimentellen Demonstration eines Laser im Jahre 1960 gab es erste Überlegungen in diese Richtung“, so Tauer weiter. Bisherige Projekte scheiterten zumeist an der Alltagstauglichkeit der Endprodukte. Entweder waren die Zündkerzen schlicht zu groß für den Einsatz im Motorraum, lieferten nicht genügend Energie oder waren nicht robust genug, um trotz großer Hitze oder ständiger Vibrationen konstant zu funktionieren.
Tauers Arbeitsgruppe beschäftigt sich seit gut acht Jahren mit diesen Problemen, er selbst wurde 2005 mit der Aufgabe engagiert, einen geeigneten Zündlaser zu entwickelten. Keine leichte Aufgabe für einen Physikstudenten in dessen bisherigen Vorlesungen Lasersysteme nur am Rande behandelt wurden. Den Sommer vor seinem Eintritt in die Forschungsgruppe verbrachte Tauer deshalb vor allem mit dem Selbststudium der einschlägigen Fachliteratur. Zweifel, dass das die Diplomarbeit nicht die gewünschten Ergebnisse liefern würde, hatte er nie: „Wir wussten, dass es funktionieren muss. Die Kollegen haben so gute Vorarbeit geleistet“, erzählt Tauer. Außerdem hatte er kompetente Unterstützung. „Mein Betreuer Heinrich Kofler und ich haben uns während dieser ganzen Zeit sehr gut ergänzt. Dinge, bei denen ich zu ungeduldig war, konnte er meistern und umgekehrt,“ beschreibt er die erfolgreiche Zusammenarbeit. Gemeinsam entwickelten Tauer und Kofler eine Laserzündung, die im Vergleich zu ihren Vorgängermodellen alle Anforderungen an ein alltagstaugliches System erfüllt. Wie es funktioniert erklärt der Forscher am besten selbst: „Das Prinzip der Laserzündung besteht darin, den Strahl eines gepulsten Lasers mittels geeigneter Linsenoptik innerhalb eines brennbaren Gemisches stark zu fokussieren, und zwar an einem frei wählbaren Zündort. So entsteht dort ein Plasma, das heiß genug ist, um den Brennstoff zu entzünden und weit genug von kühlenden metallischen Oberflächen entfernt ist.“
Um die zunehmend dringender werdenden Anforderungen an die Motoren nach höheren Wirkungsgraden und weniger Emissionen zu erfüllen, müssen Automobilhersteller unter anderem die Mitteldrücke im Motor erhöhen. Damit steigt bei herkömmlichen Zündkerzen aber auch die Zündspannung, was wiederum zu Elektrodenerosion und schließlich zum Ausfall der Zündkerze führen kann. Der Vorteil von Tauers System: Die Laserzündkerze hat keine Elektroden und ist daher auch für höchste Drücke im Motor geeignet. Außerdem lassen sich mit der Laserzündung auch viel magerere Gemische zünden, denn am Verbrennungsprozess ist mehr Luft beteiligt als eigentlich notwendig. Dies führt zu einem leichten Anstieg des Wirkungsgrades, aber vielmehr zu der derzeit so herbeigesehnten Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Stickstoffemissionen. Ein weiterer Vorteil ist die nahezu beliebige Wahl des Laser-Fokus’. „Bei herkömmlichen Zündkerzen ‚sitzt’ der Funke direkt bei den Elektroden, dadurch entstehen Verluste,“ erklärt Tauer. Der Laserpuls dagegen lässt sich genau auf den idealen Zündort im Zylinder fokussieren und gewährleistet so eine optimale Verbrennung und Kraftausbeute. Das spart noch einmal Kraftstoff und senkt den Schadstoffausstoß.
Ein schönes Ergebnis, dass dem Autofahrer Tauer auch persönlich am Herzen liegt. Doch bis unsere Fahrzeuge mit dem Zündlaser ausgestattet sein werden, wird noch einige Forschungszeit ins Land gehen, denn momentan ist das System für die flächendeckende Nutzung im Auto noch zu teuer. Eher realisierbar ist da der Einsatz der Laserzündung in stationären Gasmotoren – ein österreichischer Hersteller hat bereits Interesse signalisiert. Und wenn seine Erfindung dort funktioniert, kann Tauer später ja bei der Einführung der Laserzündung in die BMW Motoren helfen. „Das wäre toll,“ gesteht der junge Physiker. Eine aussagekräftige Bewerbungsmappe hat er ja bereits.
Ein Raumfahrer im Dienste des Wissenschaftsnachwuchses
Ein Interview mit dem Juryvorsitzenden Prof. Ulrich Walter, ehemaliger Wissenschaftsastronaut und Leiter des Lehrstuhls für Raumfahrttechnik an der Technischen Universität München.
Wie sieht die Arbeit des 12-köpfigen Gremiums aus? Wie meisterten Sie in diesem Jahr die 241 Einsendungen aus 25 Ländern?
Es gibt drei Treffen pro Jahr. Vor dem ersten Meeting im Mai bekommt jeder von uns, die Abstracts zum eigenen oder einem benachbarten Fachgebiet zugesandt. Diese werden durchsehen und bewertet und im ersten Treffen den Jurykollegen vorgestellt. Aus allen sehr gut bewerteten Arbeiten wählt man die besten 40 gemeinsam aus. Diese wurden für die zweite Runde wiederum auf die Juroren aufgeteilt, so dass etwa fünf oder sechs Arbeiten auf jeden voon uns entfielen. Diese Arbeiten wurden nun im Detail angelesen und bewertet. Im zweiten Treffen wurden daraus nach relativ langen Diskussionen zehn Kandidaten heraus gesucht, die bei einem dritten Termin im September ihre Arbeit in einer Präsentation persönlich vorgestellt haben. Erst dann haben wir über die sechs Preisträger entschieden.
Und welche Arbeit hat Sie in diesem Jahr besonders beeindruckt?
Die Dissertation von Torsten Kroker, der die Einsatzbereiche für Nanotechnologie bzw. Nanoröhren aus Kunststoff zum ersten mal umfassend umgesetzt hat. Das fand ich sehr faszinierend. Ich möchte aber betonen, dass uns sehr viele gute Ideen aus unterschiedlichen Wissenschaftsbereichen vorlagen.
Wie entscheiden Sie dann, wer am Ende den Preis bekommt?
Nun, es gibt die unterschiedlichsten Kriterien. Zum Beispiel hat eine theoretisch super fundierte Arbeit nicht automatisch die besten Chancen. Wir schauen zunächst natürlich, ob das Thema interessant ist und fragen uns, ob die Arbeit wirklich außergewöhnlich ist, ob sie einen Meilenstein darstellt und fachlich hervorragend ist. Nicht zuletzt spielt für uns auch der Anwendungsnutzen der Arbeit eine Rolle. Ich hette zum Beispiel eine Arbeit über die Additivität und Subadditivität quantenstatistischer Entropie. Das war Weltklasse und fachlich wahnsinnig interessant, aber wegen der vorgegebenen Kriterien "Realitätsnähe" und "Nutzen für die Gesellschaft" konnten sie für den Scientific Award nicht in die engere Auswahl genommen werden.
Was geben Sie den Nachwuchswissenschaftlern für ihre Zukunft mit auf den Weg?
Das gleiche wie meinen Studenten, wenn sie mich fragen, was sie tun sollen. Tut das, was euch Spaß macht! Nur wenn man mit Begeisterung und Freude arbeitet, sticht man aus der Masse hervor und bringt hervorragende Leistung. Man sollte seinen Job nicht nach rein monetären Gesichtspunkten auswählen, sondern danach, was einem Freude bereitet. Dann ist man auch erfolgreich. Wenn ich morgens aufwache und denke „Dieses Problem möchte ich heute lösen“, dann ist das ein guter Start.
Sie haben schon so viele unterschiedliche Sachen gemacht, waren im All, haben eine Wissenschaftssendung im Fernsehen moderiert, sind Manager bei IBM gewesen und leiten nun den Lehrstuhl für Raumfahrttechnik. Was hat Ihnen am meisten Freude bereitet?
Ich hatte wirklich überall Spaß. Wissenschaft „machen“, die Natur verstehen, das hat mir schon immer viel bedeutet. Aber natürlich war auch die Zeit als Astronaut sehr spannend.
Und wie geht es jetzt für Sie weiter?
Nun, als ich Physik studierte hätte ich nicht gedacht, dass ich mal Astronaut werde. Und als ich Astronaut gewesen bin, hätte ich nicht erwartet, dass ich später einen Lehrstuhl leite. Ich muss aber auch gar nicht immer wissen, wie es weiter geht, ich lasse mich gerne überraschen. Ich bin momentan sehr glücklich hier, aber ich kann nicht ausschließen, dass ich irgendwann noch einmal was komplett anderes mache.
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