künstliche Intelligenz beschäftigt Forschung, Industrie und Gesellschaft intensiv. Auf dem Forschungsgipfel, der dieses Jahr auf der Hannover Messe stattfand, diskutierten die Teilnehmenden unter anderem darüber, wie Deutschland und Europa attraktiver für KI-Talente werden können. Bei Helmholtz treiben wir das Thema stark voran: Wir investieren 23 Millionen Euro in die Entwicklung von KI-Grundlagenmodellen, die zur Lösung verschiedener gesellschaftlicher Herausforderungen beitragen sollen. Wirkmächtig sind auch unsere großen Forschungsanlagen – sie ermöglichen weitaus mehr als bahnbrechende Erkenntnisse in der Grundlagenforschung. Warum der Nutzen der Großforschungsanlagen den großen Aufwand für Bau und Betrieb rechtfertigt, erläutert Beate Heinemann, Forschungsdirektorin am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY.

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Was bis vor Kurzem noch nach Science-Fiction klang, ist heute in der Entwicklung weit fortgeschritten: Winzige Roboter, die sich selbstständig durch den Körper bewegen, sollen Medikamente transportieren, Messungen in Geweben vornehmen oder chirurgische Eingriffe durchführen.

Zwar wurden bereits magnetisch angetriebene Mikro- oder Nanoroboter entwickelt, die durch den Muskel, den Glaskörper des Auges oder das Blutgefäßsystem navigieren können. Doch mangelt es an ausgereiften Systemen, mit denen die Aktivitäten der Roboter tief im Körpergewebe in Echtzeit mitverfolgt und kontrolliert werden können. Herkömmliche bildgebende Verfahren sind nur bedingt geeignet. Die Magnetresonanztomografie (MRT) etwa hat eine zu geringe zeitliche Auflösung, die Computertomografie (CT) ist mit einer Strahlenbelastung verbunden und beim Ultraschall limitiert die starke Streuung der Schallwellen die räumliche Auflösung.

Mit einer neu entwickelten Methode beschreibt das Team um Tian Qiu vom DKFZ, Standort Dresden, einen Lösungsansatz für dieses Problem. Das winzige Gerät, das die Wissenschaftler:innen entwickelt haben, basiert auf einem magnetischen Oszillator, also einem mechanisch schwingenden Magneten, der sich in einem millimetergroßen Gehäuse befindet. Ein äußeres Magnetfeld kann den Magneten mechanisch zur Schwingung anregen. Wenn die Schwingung abklingt, kann dieses Signal mit Magnetsensoren erfasst werden. Das Grundprinzip ist vergleichbar mit der Kernspinresonanz in der MRT. Die Forschenden bezeichnen die Methode als „Small-Scale Magneto-Oscillatory Localization“ (SMOL).

Mit SMOL kann die Position und Orientierung des kleinen Gerätes in großer Entfernung (über 10 cm), sehr genau (weniger als 1 mm) und in Echtzeit bestimmt werden. Im Gegensatz zu Trackingverfahren, die auf statischen Magneten basieren, kann SMOL Bewegungen in allen Raum- und Winkelkoordinaten erfassen – und das mit deutlich höherer Signalqualität. Da das Gerät nur schwache Magnetfelder erzeugt und benötigt, ist es für den Körper unbedenklich. Zudem arbeitet es kabellos und ist mit vielen herkömmlichen Geräten und bildgebenden Verfahren kompatibel.

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(Bild rechts: Miniaturroboter mit eingebautem SMOL-Tracker, der eingebaute Magnet ist lediglich 1 mm groß; Bild links: R-förmiger Bewegungspfad eines SMOL-gesteuerten Miniaturroboters. © Qiu/DKFZ )

Die Revolution aus dem Reagenzglas
So wie Ingenieure im letzten Jahrhundert mit den Erkenntnissen der Physik unsere äußere Welt verändert haben, stehen Bioingenieure in diesem Jahrhundert an der Schwelle, mit den Werkzeugen der Biomedizin unsere innere Welt zu transformieren. Die Art und Weise, wie wir Krankheiten erkennen und behandeln, wird sich dadurch fundamental verändern. Mehr lesen

Philipp Schaps ist Referent für Diversity & Inclusion und stellvertretender Leiter der Stabstelle Büro für Chancengleichheit im Forschungszentrum Jülich. Bild: Forschungszentrum Jülich

Grundsätzlich finde ich es überhaupt schon mal super spannend in einer Forschungseinrichtung zu arbeiten, die sich mit so vielfältigen, großen und komplexen Zukunftsfragen beschäftigt. Jedes Mal, wenn ich als Nichtwissenschaftler Gelegenheit habe, etwas über die Forschung in Jülich oder auch anderen Helmholtz-Zentren zu erfahren, bin ich sofort dabei. An meinem eigenen Job im Bereich Chancengerechtigkeit und Vielfalt gefällt mir besonders der Austausch und Kontakt zu den vielen tollen Kolleg:innen des Forschungszentrums Jülich. Deren Perspektiven und Erfahrungswelten mitzubekommen, erlaubt es wirklich fast täglich etwas dazuzulernen.

Bei uns liegen tatsächlich ein paar coole und kreative Projektideen sozusagen in der Schublade. Eine Maßnahme, die vielleicht weniger Glamour hat, die aus meiner Sicht aber einen großen Mehrwert hätte, wären verpflichtende und regelmäßige Schulungen zum Themenfeld (Anti-)Diskriminierung und Mikroaggressionen für alle Mitarbeitenden. Diese Schulungen müssten nicht sonderlich zeitraubend sein und könnten – wenn sie gut gemacht sind – auch als E-Learning oder in anderen flexiblen Formaten gut funktionieren. Ich glaube, wenn alle Mitarbeitenden dies in regelmäßigen Abständen durchlaufen, so ähnlich wie eine Maßnahme des Arbeitsschutzes, dann wäre schon viel gewonnen.

Oh, das ist schwer: Es gibt so viele tolle Menschen. Vielleicht könnte ich mal mit dem ehemaligen Fußballer Jonas Hector über seine Zeit bei meinem Lieblingsclub, dem 1. FC Köln, sinnieren. Den fand ich immer sehr bodenständig und sympathisch. Innerhalb von Helmholtz würde ich zum Beispiel gerne einmal mit Antje Boetius über Forschungsreisen in die Polargebiete sprechen oder über die Klimakatastrophe und ihre Folgen. Vielleicht auch darüber, wie man längere Forschungsexpeditionen möglichst inklusiv und barrierearm gestaltet. Mir persönlich am nächsten läge vermutlich ein einfaches Abendessen in einer Gruppe von interessanten Menschen, die nicht unbedingt berühmt oder hochrangig sein müssen.

Sie ermöglichen bahnbrechende, teils unerwartete Erkenntnisse in der Grundlagenforschung. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Universitäten und Forschungsinstituten erforschen mit ihnen komplexe Fragestellungen und gewinnen Erkenntnisse in verschiedenen Bereichen wie Physik, Chemie, Material- und Lebenswissenschaften. Diese Erkenntnisse tragen nicht nur zum wissenschaftlichen Fortschritt bei, sondern führen auch zu Innovationen, die die internationale Wettbewerbsfähigkeit und Technologiesouveränität stärken.

Sie bereichern die Gesellschaft. Die Forschung an Großforschungsanlagen trägt dazu bei, grundlegende Fragen über das Universum, das Klima oder den menschlichen Körper zu beantworten. Dieses Streben nach Wissen hat nicht nur intrinsischen Wert, sondern kann auch dazu beitragen, die Gesellschaft zu inspirieren, zu informieren und auch kulturell zu bereichern.

Sie stärken die Wirtschafts- und Innovationskraft in Deutschland. Großforschungsanlagen schaffen Arbeitsplätze und fördern die lokale und nationale Wirtschaftsentwicklung. Ihr gesamtwirtschaftlicher Nutzen übersteigt in der Regel um ein Vielfaches die Bau- und Betriebskosten. Sie treiben technische Entwicklungen voran, da ihre hohen Anforderungen innovative Lösungen in Bereichen wie Optik, Sensorik, Materialien, Laser, Magnettechnologie oder Datenwissenschaft erfordern. Sie konditionieren aufgrund der geforderten Höchststandards bezüglich Präzision und Verlässlichkeit die industriellen Partner sehr stark. Darüber hinaus können Technologietransfers von Forschungseinrichtungen zu Unternehmen neue Geschäftsmöglichkeiten und Industriezweige entstehen lassen, die das Wirtschaftswachstum ankurbeln.

Sie tragen wesentlich zu Ausbildung und Fachkräftesicherung bei. Großforschungsanlagen bieten eine einzigartige Umgebung für die Ausbildung von jungen Forschenden in einem internationalen Umfeld. Diese praktischen Erfahrungen und das Lernen von führenden Expertinnen und Experten gewährleisten die Ausbildung hochqualifizierter Fachkräfte für Forschung und Industrie. Durch Großforschungsanlagen werden international hochqualifizierte Talente gewonnen, die für die zukünftige Entwicklung Deutschlands und Europas von entscheidender Bedeutung sind.

Sie stärken die nationale und internationale Zusammenarbeit. Der Wissenschaftsbetrieb profitiert enorm von der Forschung von mehr als zehntausend externen Forschenden jährlich an den Großforschungsanlagen der Helmholtz-Gemeinschaft. Dieser „klassisch“ zu nennende Nutzerbetrieb der Photonen-, Neutronen- und Ionen-Anlagen sowie der Hochfeldmagnetlabore ist ein Paradebeispiel für die Aufgabenteilung im deutschen Wissenschaftssystem und die Kooperation zwischen deutschen und ausländischen Universitäten und der Helmholtz-Gemeinschaft. Generell ermöglicht die Zusammenarbeit an sowohl nationalen als auch internationalen Großforschungsanlagen den Austausch von Know-how und Ideen über nationale Grenzen hinweg, stärkt die europäische Integration und fördert eine vielfältige Gesellschaft.

Der Betrieb von Großforschungsanlagen ist ein Hauptzweck der Helmholtz-Gemeinschaft. Das Forschungsschiff Polarstern oder die Lichtquellen PETRA III und BESSY II sind nur einige der weltweit führenden Großforschungsanlagen, die von Helmholtz-Zentren betrieben werden. Um weiterhin die Spitzenforschung in Deutschland zu gewährleisten ist es allerdings notwendig, diese Anlagen aufzurüsten bzw. neu zu bauen. Zudem gibt es viele spannende neue Ideen für das kommende Jahrzehnt wie zum Beispiel das Einstein-Teleskop, welche fundamentale Fragen über unser Universum adressieren und gleichzeitig faszinierende Technologien entwickeln.

Großforschungsanlagen sind zwar mit hohen Investitionen verbunden, aber unerlässlich für eine moderne Hightech-Gesellschaft.

(Bild: DESY/Angela Pfeiffer)

Quantentechnologie: Anlässlich des World Quantum Days gewährt Tommaso Calarco, Direktor des Instituts für Quantenkontrolle des Peter Grünberg Instituts am Forschungszentrum Jülich, einen Einblick in die unvorstellbare Welt der Quanten. Gerade weil die Quantenphysik die Grenzen des menschlich Vorstellbaren überschreite, seien künstlerische Auseinandersetzungen in diesem Bereich umso wichtiger. Im Interview mit dem Tagesspiegel erklärt Calarco außerdem, was Quantencomputer von herkömmlichen Computern unterscheidet und welche spezifischen Probleme sie zukünftig lösen könnten. Allerdings warnt Calarco vor dem übertriebenen Quanten-Hype: Quantencomputer könnten zwar viel, aber nicht alles. Es handele sich eben nicht um „Wundermaschinen“.

Umweltschutz: Im SPIEGEL befasst sich die Juristin Jula Zenetti vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung mit der Frage, ob es noch zeitgemäß ist, dass in Deutschland zwar Kapitalgesellschaften vor Gerichten klagen dürfen, aber noch keine Flüsse oder Tiere. In Ländern wie Spanien, Ecuador oder den USA sei dies beispielsweise bereits möglich. Welche Vorteile es für den Umweltschutz mit sich brächte, wenn die Natur eigene Rechte eingeräumt bekäme, erläutert Zenetti im Interview.

Sicherheit: Der Deutschlandfunk berichtet über das „Kompetenzzentrum für reaktionsschnelle Satellitenverbringung“, das 2020 von der Bundeswehr und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit dem Ziel gegründet wurde, dem Militär im Kriegsfall ein funktionierendes Netzwerk an Satelliten zur Verfügung zu stellen. Wolfgang Jung, der für die Technologieentwicklung in diesem Bereich am DLR verantwortlich ist, erläutert, dass im Krisenfall ein solches Netzwerk nicht nur für die Kommunikation oder Navigation, sondern auch für Aufklärungszwecke von entscheidender Bedeutung sei. Im Laufe der Sendung gibt Jung außerdem Einblicke in die neueste Forschung auf diesem Gebiet.

UN-Plastikabkommen: Die Meeresbiologin Melanie Bergmann vom Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung war in der Fernsehsendung buten un binnen zu Gast, kurz bevor sie als Teil der deutschen Delegation zum UN-Treffen nach Ottawa gereist ist. Bergmann verrät in der Sendung, wie sie die Mitglieder der Vereinten Nationen davon überzeugen will, einem globalen Plastikabkommen zuzustimmen. Ihr Hauptaugenmerk liegt dabei vor allem auf den gesundheitlichen Auswirkungen von Plastik und den damit verbundenen Kosten weltweit. Noch bis zum 29. April 2024 beraten sich die UN-Mitglieder darüber, wie ein solches Abkommen aussehen könnte.

Erdbebenforschung: Der Focus befasst sich mit einer Studie des Helmholtz-Zentrums Potsdam - Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ), die belegt, dass nicht nur die Bauweise einzelner Gebäude, sondern vor allem deren flächendeckende Anordnung im urbanen Raum die Ausbreitung von Erbebenwellen beeinflussen kann. Für ihr Experiment nutzten die Forschenden einen Windpark als Stadtmodell und stellten dabei fest, dass die geometrische Anordnung der Windräder seismische Wellen abdämpfen kann.

Bleiben Sie auf dem Laufenden und abonnieren Sie die Jülich News - Nachrichten aus dem Forschungszentrum Jülich. Das Helmholtz-Zentrum forscht rund um die Themenfelder Energie, Information und Bioökonomie. Die Jülich News bieten einen ausgewählten Überblick über Wissenschaft, Personen und Projekte im Forschungszentrum. Der Newsletter erscheint einmal im Monat.

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Herausgegeben von: Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V., Anna-Louisa-Karsch-Str.2, 10178 Berlin

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