Exzellent erklärt - Spitzenforschung für alle (Die 57 Exzellenzcluster Deutschlands)

Mathematik steckt in Kernspintomographen, Kryptografie, Klimamodellen, im GPS. Doch nicht nur diese und viele weitere Anwendungen, die uns im Alltag begegnen, auch die mathematische Theorie an sich ist Gegenstand aktueller mathematischer Forschung. In dieser Folge werfen wir mit Prof. Gustav Holzegel und Prof. Eva Viehmann vom Exzellenzcluster „Mathematik Münster“ einen Blick auf das riesige, breitgefächerte Forschungsfeld der Mathematik. Was unterscheidet die Mathematik von allen anderen Wissenschaften? Die beiden Forscher:innen geben Einblicke in ihre Spezialgebiete und in ihren Arbeitsalltag. Sie sprechen über ihre Motivation, über Glücksgefühle und Frust beim Forschen und warum es in der Mathematik so wichtig ist, über den Tellerrand des eigenen Gebietes zu schauen.

Wie kommunizieren die Zellen eines Lebewesens miteinander? Der Exzellenzcluster CIBSS erforscht die biologischen Signale, die in vielzelligen Lebewesen dafür sorgen, dass Zellen und Gewebe zusammenarbeiten und sich an Umwelteinflüsse anpassen können. Diese „Sprache des Lebens“ zu verstehen, hilft, wichtige gesellschaftliche Herausforderungen wie Gesundheit und Ernährungssicherheit zu meistern: Denn vielen Krankheiten liegen fehlerhafte Signalprozesse zugrunde – und Signale beeinflussen, wie Pflanzen auf ihre Umwelt und ein verändertes Klima reagieren.

Im Cluster „Matters of Activity“ geht es um die Frage nach aktiver Materialität. Der von ihnen selbst geschaffene interdisziplinäre Ansatz gibt den Forscherinnen und Forschern die Möglichkeit, aus verschiedenen Blickwinkeln auf die zentralen Fragen zu blicken: Wie gehen wir mit Materialität im Zeitalter der Digitalisierung um? Können andere Material-Verständnisse zu anderen Produktionsweisen oder anderen Lebensweisen führen? Weitere Themen sind Nachhaltigkeit und bio-inspiriertes Design, also beispielsweise Textilien, die sich Mechanismen der Natur bedienen, um selbst zu aktiven Materialien zu werden.

In dieser Podcast-Episode geht es um das Ehegattensplitting – ein steuerliches Verfahren, das in Deutschland seit Jahrzehnten diskutiert wird. Gemeinsam mit Felix Bierbrauer, Professor bei ECONtribute an der Universität zu Köln, werfen wir einen Blick auf die wirtschaftlichen und politischen Implikationen des Splittings, beleuchten Fragen von Gerechtigkeit, Effizienz und gesellschaftlichen Anreizen und erörtern, warum Reformen so schwer durchsetzbar sind.

In dieser Podcastfolge beantworten der MATH+ Cluster-Sprecher, Prof. Michael Hintermüller und die Nachwuchsgruppenleiterin Dr. Sarah Wolf die spannende Frage, ob Mathematik die Welt verbessern kann. Sie sprechen darüber, wie sich die anwendungsorientierte Mathematik von MATH+ mit anderen Disziplinen bei relevanten Zukunftsfragen einbringt, zum Beispiel bei der nachhaltigen Energieversorgung und Mobilität, der Verkehrsplanung und Batterieforschung für langlebigere Akkus von Handys und Elektroautos. Sie sprechen auch darüber, wie mit Hilfe mathematischer Modelle schmerzstillende Medikamente entworfen werden, die wirksam sind, aber nicht süchtig machen. Die Themenvielfalt bei MATH+ ist unglaublich breit, denn Mathematik ist viel mehr als Rechnen: „Mathematik ist überall“!

Prof. Jochen Wittbrodt und Prof. Peter Gumbsch arbeiten im gleichen Exzellenzcluster, aber in sehr unterschiedlichen Forschungsbereichen. Was sie eint: Beide forschen an Anwendungen, bei denen präziserer, schnellerer und leistungsfähigerer 3D-Druck neue Wege eröffnet. Jochen Wittbrodt und seine Doktorandin Christina Schlagheck forschen an Organoiden, also künstlich hergestellte organähnliche Zellstrukturen. So könnte beispielsweise eines Tages eine Retina aus dem 3D-Drucker kommen. Peter Gumbsch entwickelt Metamaterialien, die spezifisch entworfene Eigenschaften aufweisen und zudem einen Beitrag zur Nachhaltigkeit leisten könnten.

Das Team des Exzellenzclusters RESIST kümmert sich um Menschen, denen Bakterien und Viren schweren Schaden zufügen können – dazu zählen beispielsweise Früh- und Neugeborene. Denn wenn sie sich mit einem Keim infizieren, reagiert ihr Immunsystem nicht selten viel zu stark – was zu Entzündungen des Blutes, der Lunge und des Darms führen kann.

Der Klimawandel sorgt für ein Umdenken in vielen Bereichen. Wichtig ist dies auch im Bereich der Mobilität. Neben Elektroautos, die mit regenerativ erzeugtem Strom geladen werden, wird hier auch im Bereich des grünen Wasserstoffantriebs geforscht. Aber nicht nur das. „The Fuel Science Center“ geht viele verschiedene Wege und sucht nach Möglichkeiten, Kraftstoffe ohne fossile Komponenten herzustellen, die gleichzeitig nachhaltig und auch bezahlbar und sozial verträglich sind. Eine Schlüsseltechnologie dabei ist die Katalyse.

Prof. Anita Engels und Dr. Christopher Heidemann forschen am Exzellenzcluster CLICCS in Hamburg. Der Hamburg Climate Futures Outlook ist ein Bericht, in dem zehn Schlüsselfaktoren genannt werden, die aus soziologischer Sicht maßgeblich am Klimawandel beteiligt sind. Dazu zählen zum Beispiel das Konsumverhalten der Menschen, aber auch die sogenannte Divestment-Bewegung auf dem Finanzmarkt. Weisen diese Faktoren in die richtige Richtung? Ist es also plausibel, dass wir unsere Klimaziele einhalten? Der Outlook kommt zu einem ernüchternden Ergebnis.

Wenn wir spannende Dinge erleben, speichert unser Gehirn das ab. Wir haben ein Kurzzeit- und ein Langzeitgedächtnis. Das sind Fakten, die wir alle über unser Gehirn wissen. Aber wie genau das alles abläuft, das weiß die Wissenschaft noch nicht. Und erst wenn entschlüsselt ist, wie wir uns Dinge merken können, werden wir auch all die Demenzerkrankungen verstehen, die mit dem Vergessen zu tun haben. Das Exzellenzcluster NeuroCure beschäftigt sich nicht nur mit dem Gedächtnis, sondern beispielsweise auch mit Krankheiten wie der Autoimmunenzephalitis. Bei dieser Erkrankung kämpft der Körper gegen sich selbst – und stört dadurch wichtige Funktionen des Gehirns. Die oft jungen betroffenen Patient:innen leiden unter Psychosen, Halluzinationen und Demenzen.

In Südamerika gibt es alte Frauen, die eine ganz bestimmte Art von Tätowierung besitzen. Am Unterarm wurde ihnen ein Tattoo gestochen, das zum Beispiel die Initialen ihres Ehemannes zeigt und weitere Zeichen. Es handelt sich um Frauen, deren Vorfahren als Vertragsarbeiter aus Indien in die damaligen britischen und niederländischen Kolonien gebracht wurden. Sinah Kloß erforscht diese alte Tattoo-Tradition, die mittlerweile als überholt gilt, daher tragen junge Frauen keine derartigen Tätowierungen mehr.

Der Exzellenzcluster POLIS forscht an Batterien, die ohne Lithium funktionieren. Das Ziel kann zum Beispiel eine Natrium-Ionen-Batterie sein, die ohne kritische oder seltene Stoffe auskommt und zudem noch bessere Leistungen bringen kann, beispielsweise bei niedrigen Temperaturen im Winter. Aber wie funktioniert so eine Batterie überhaupt? Und welche Alternativen gibt es? Und vor allem: Vor welchen Herausforderungen stehen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in diesem Bereich?

Niemand hat bisher den direkten Beweis erbracht, dass es Dunkle Materie gibt. Doch die meisten Physikerinnen und Physiker zweifeln nicht mehr daran, dass im Universum etwas existiert, das einen weit größeren Anteil an dessen gesamter Masse ausmacht als die sichtbare Substanz. Im Exzellenzcluster „Quantum Universe“ geht man verschiedenen Ansätzen nach, um dieser geheimnisvollen Materie auf die Spur zu kommen.

Prof. Harald Weinfurter und Prof. Kai Müller forschen am „Munich Center for Quantum Science and Technology“ im Bereich der Quantenkommunikation. Dabei geht es zum einen darum Quanteninformation über weite Strecken zu übertragen, zum anderen darum einen Schlüssel zur Datenverschlüsselung absolut abhörsicher an weit entfernte Partner zu verteilen. Bevor wir aber über die aktuelle Forschung der beiden Wissenschaftler sprechen, müssen noch einige Grundlagen der Quantenphysik erklärt werden, beispielsweise das Prinzip der Superposition oder der Verschränkung.

Der Exzellenzcluster „Politics of Inquality“ befragt in seinem Ungleichheitsbarometer regelmäßig 6000 Menschen danach, welche Erfahrungen von Ungleichheit sie machen. Dabei geht es beispielsweise um Einkommen oder Vermögen, aber auch um Gesundheit oder Klimawandel. Manche Ergebnisse überraschen sehr, beispielsweise dass sich die meisten Menschen der Mittelklasse zuordnen, obwohl sie dort auf ihr Einkommen bezogen gar nicht hingehören. Warum das so ist und was das für politische Wahlentscheidungen bedeutet, erklärt Prof. Dr. Marius R. Busemeyer. Prof. Dr. Claudia Diehl widmet sich im Forschungsprojekt „PerFair“ Schülerinnen und Schülern um herauszufinden, ob diese bereits ein Gefühl der Ungleichheit haben und wie dieses entsteht. Dazu wurden insgesamt etwa 3000 Jugendliche und deren Eltern befragt.

Michael Köhl und Sebastian Diehl forschen an den Grundlagen quantenmechanischer Phänomene. Am Exzellenzcluster ML4Q bringen sie ihre Expertise in experimenteller bzw. theoretischer Physik zusammen, um Netzwerkarchitekturen für Quantencomputer zu schaffen. Es gilt viele Probleme zu lösen – zum Beispiel auch die Frage, wie Quantencomputer miteinander vernetzt werden können, obwohl die Quantenzustände, die sie zum Funktionieren benötigen, schwer stabil zu halten sind.

Unser Gehirn steuert und beeinflusst Prozesse und Krankheiten in mehr oder weniger höherem Maße, das ist seit Jahren bekannt. Unter diesem Aspekt wird die Forschung am CECAD zu zwei Krankheiten näher beleuchtet: Depression und Fettleibigkeit. Doch nicht nur das, beides wird auch unter dem Aspekt des Alterns erforscht.

Prof. Matthias Drieß ist Chemiker aus Leidenschaft. Mit Begeisterung erzählt er von der grünen Chemie, von der Vorstellung, dass wir eines Tages zu Hause unseren eigenen Wasserstoff und Methanol herstellen, um damit unsere Autos zu betanken und unseren „persönlichen“ Energiebedarf zuhause zu decken. In der grünen Chemie geht es um die umweltschonende Herstellung von Chemikalien, um die Minimierung von „Abfall“ in chemischen Prozessen und darum, die Natur zum Vorbild zu nehmen.

Schuppenflechte, Rheuma, Morbus Crohn – immer mehr Menschen müssen mit chronischen Entzündungskrankheiten leben. Das Exzellenzcluster PMI (Präzisionsmedizin für chronische Entzündungserkrankungen) sucht nach den Ursachen dieser Erkrankungen und strebt nach individualisierten Behandlungen für die Patientinnen und Patienten. Das große Ziel ist es, Entzündungskrankheiten zu stoppen und somit ihr Fortschreiten zu verhindern. Auf der Suche nach den Ursachen für chronische Entzündungserkrankungen untersuchen Clustermitglieder auch alte DNA (aDNA), um so die Entwicklung des menschlichen Immunsystems zu verstehen.

Im Projekt „Syntopische Architekturen“ wollen Forscherinnen und Forscher natürliche Strukturen in die Architektur integrieren, die in Verbindung zu dem Ort stehen, an dem gebaut wird. Ein Beispiel dafür ist das Arbeiten mit Käferholz, also mit Holz, das vom Borkenkäfer befallen wurde. Die Berücksichtigung von Materialien, die in der direkten Umgebung und ihren Kreisläufen vorkommen, macht die syntopische Architektur zu einer besonders nachhaltigen Form des Bauens und Wohnens. Wer in Berlin ist, sollte sich das Activarium ansehen. Das ist der Showroom in Berlin-Mitte, in dem man die am Cluster erarbeiteten Prototypen sehen und testen kann. Dazu gehören auch die Objekte, von denen Karola Dierichs in der Podcast-Folge spricht.

Die Folgen des Klimawandels gefährden Ernten und damit die Ernährung der Weltbevölkerung. Auch wenn wir ein jahrhundertealtes Wissen über die Landwirtschaft haben, fehlt noch das konkrete Wissen darüber, warum Pflanzen so sind, wie sie sind. Besonders die neuen Herausforderungen machen es nötig herauszufinden, wie Pflanzen auf bestimmte äußere Gegebenheiten reagieren. Am Exzellenzcluster CEPLAS arbeiten die Forscherinnen und Forscher mit Computermodellen, um verschiedene Szenarien durchzugehen und neue Hypothesen zum Stoffwechsel der Pflanzen aufzustellen.

Prof. Pia Pinger war selbst überrascht von dem Ausmaß, in dem manche Kinder durch die Pandemie abgehängt wurden. Für diese ist es besonders schwer, wieder Anschluss zu bekommen - aber auch ohne eine um sich greifende Krankheit ist die Chance auf Bildung in Deutschland nicht für jedes Kind gleich. Der schulische Erfolg hängt in großem Maße mit dem Elternhaus zusammen, und zwar nicht nur damit, ob die Eltern viel verdienen, sondern auch damit, welchen akademischen Hintergrund sie selbst haben. Prof. Matthias Sutter hat zudem in seiner jüngsten Untersuchung herausgefunden, dass die Prosozialität, also das positive soziale Verhalten, bei Teenagern durch die Pandemie weniger geworden ist. Vor allem bei jenen Jugendlichen, die in einem Haushalt mit niedrigem sozioökonomischem Status leben und in Familien, in denen sich ein Mitglied mit SARS-CoV2 angesteckt hat. Was können wir tun, um Kindern, egal aus welchem familiären Hintergrund sie kommen, zu helfen? Mehr dazu in dieser Folge des Exzellenzclusters Exzellenzcluster „ECONtribute: Märkte & Public Policy“

Prof. Christian Haass forscht seit 30 Jahren zum Thema Alzheimer. Die Krankheit betrifft in unserer immer älter werdenden Gesellschaft immer mehr Menschen. Heilbar ist sie nicht – aber gibt es die Aussicht auf Medikamente dagegen oder gar auf eine Impfung?Im Exzellenzcluster SyNergy in München („Munich Cluster for Systems Neurology“) sind verschiedenste Einrichtungen vereint, um Alzheimer und anderen Hirnerkrankungen auf den Grund zu gehen: es gibt SyNergy-Arbeitsgruppen an der TUM, der LMU, dem DZNE, an zwei Max-Planck-Instituten, an beiden Universitätskliniken und auch am Helmholtz-Zentrum. Larissa Vassilian spricht mit Prof. Christian Haass über die bisherigen Forschungsergebnisse, über die größten Probleme der Alzheimer-Forschung und über die weiterhin offenen Fragen.

Das mikrobielle Gleichgewicht ist die Grundlage für gesundes Leben – egal ob beim Menschen, bei Tieren oder bei Pflanzen. Sogar Gewässer sowie Böden und damit ganze Ökosysteme sind davon abhängig. Gerät dieses dynamische Gleichgewicht von Bakterien, Pilzen und weiteren Mikroorganismen ins Wanken, kann das schwerwiegende Folgen haben. Bei der Erforschung des Mikroversums dreht sich alles um die Kommunikation und Interaktion der winzigen Lebewesen untereinander und mit ihrer Umwelt. Denn oft leben sie bereits seit Jahrmillionen zusammen und sind nur selten isoliert anzutreffen. Prof. Brakhage erzählt davon, dass der nächste antibiotische Wirkstoff vielleicht in unserem Vorgarten auf seine Entdeckung wartet. Und aus diesem im besten Fall ein Medikament entwickelt werden kann, das zielgerichtet unerwünschte Mikroorganismen angreift und die nützlichen nicht beeinträchtigt.

Schwerhörigkeit ist eine Volkskrankheit. 15 Milionen Menschen sind in Deutschland davon betroffen, ab dem 70. Lebensjahr hat jeder zweite Mensch in Deutschland Probleme mit dem Hören. Das Exzellenzcluster Hearing4All möchte Abhilfe schaffen. Zum einen geht es hier um die Grundlagenforschung zum individuellen Gehör, zum anderen um bessere Hörhilfen und zum dritten um Lösungen, damit ein Hörverlust frühzeitig diagnostiziert werden kann. Untersucht werden auch Zusammenhänge zwischen Schwerhörigkeit und Demenz sowie die Möglichkeit, Cochlea-Implantate möglichst minimalinvasiv zu operieren.

Bekomme einen Einblick, was Dich ab 01. September monatlich im Podcast "Exzellent erklärt" erwarten wird!

Neutrinos sind Elementarteilchen, die im Standardmodell der Teilchenphysik, sozusagen dem Baukasten der Natur, vorkommen. Sie bilden einen wichtigen Forschungsschwerpunkt im Cluster PRISMA+ und werden anhand großer Experimente rund um den Globus untersucht. Das Ziel ist, mehr über diese Geisterteilchen zu erfahren – zum Beispiel, welche Masse sie haben.

Dr. Lisa Maier ist Nachwuchsgruppenleiterin im Exzellenzcluster „Controlling Microbes to Fight Infections“ (CMFI) in Tübingen. Sie hat sich auf das Darmmikrobiom spezialisiert. In ihrer Gruppe forscht sie an Antibiotika und anderen Medikamenten und versucht herauszufinden, inwieweit sich diese auf die Gesundheit unseres Darmmikrobioms auswirken. Manche von ihnen haben (manchmal ungewollt) positive Auswirkungen, andere schädigen die Gemeinschaft der Mikroorganismen in unserem Darm. Herauszufinden, welche Medikamente nun genau welche Auswirkungen hervorrufen, das ist das Ziel von Lisa Maiers Forschung.

In der ersten Episode des neuen Podcasts "Exzellent erklärt - Spitzenforschung für alle" dreht sich alles um das taktile Internet. Zu Gast bei Larissa Vassilian ist Prof. Frank Fitzek vom CeTI, dem "Centre for Tactile Internet with Human-in-the-Loop" der TU Dresden. An diesem Exzellenzcluster forschen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus so unterschiedlichen Bereichen wie Elektrotechnik, Psychologie, Medizin und Informatik zusammen, um die verschiedensten Möglichkeiten des taktilen Internets zu erkunden. Einige Beispiele dieser Forschung: Intelligente Kleidung soll uns im Alter helfen, selbständig zu bleiben und uns auch in jungen Jahren helfen, beispielsweise beim Erlernen von neuen Fähigkeiten wie dem Klavierspielen. In der Medizin sollen Navigationssysteme den Medizinern bei Operationen helfen. Und neben Bild und Ton sollen wir bald auch die Möglichkeit haben, Berührungen über das Internet zu verschicken. Zu Wort kommt in dieser Folge auch Prof. Stefanie Speidel, die als Informatikerin im Bereich der Krebschirurgie forscht und intelligente Assistenzsysteme und robotergestützte Anwendungen für den OP entwickelt.

Es gibt noch viele offene Fragen, was die Ozeane und den Ozeanboden betrifft. Vor allem, wenn wir die Auswirkungen des Klimawandels auf die Meere betrachten. Prof. Michal Kucera erforscht anhand von Sedimentproben fossiles Plankton und zieht dadurch Rückschlüsse auf dessen Wanderungsbewegungen sowie die Artenvielfalt der vergangenen 100.000 Jahre – auch mithilfe von sogenannter „alter DNA“ (aDNA). Dr. Miriam Römer fährt ein bis zwei Mal im Jahr auf hohe See, um sogenannte „Kalten Quellen“ zu erforschen und herauszufinden, wieviel Methan am Meeresboden gebunden ist und eventuell austreten wird, sobald sich das Klima weiter erwärmt. Beide helfen mit ihrer Forschung, den Ozeanboden als Schnittstelle zu erforschen – im Cluster „Ozeanboden – unerforschte Schnittstelle der Erde“, der an der Universität Bremen angesiedelt ist.

In der Biologie gibt es noch viele Rätsel zu lösen. Beispielsweise verstehen wir noch nicht, wie es Tiere wie der Axolotl schaffen, Gliedmaßen nachwachsen zu lassen. Wir wissen auch nicht, wie Muskeln aufgebaut sind und funktionieren. All das versucht das Exzellenzcluster „Physik des Lebens“ mit den Werkzeugen der Physik zu entschlüsseln. Teilweise geschieht das durch Experimente, teilweise durch Simulationen. Es wird zudem auf verschiedenen Skalen gearbeitet, von der kleinsten mit RNA, DNA und Proteinen bis hin zu den größeren, sichtbaren Skalen.

Die Folgen des Klimawandels gefährden unsere Ernten und damit die Ernährung der Weltbevölkerung. Wie können wir Nutzpflanzen züchten, die ertragreich und gesund sind, zugleich aber auch zunehmender Hitze, Dürre und Krankheiten standhalten? Professorin Maria von Korff Schmising und Dr. Markus Stetter des Exzellenzclusters CEPLAS berichten in dieser Folge, welche Vorteile mehrjährige gegenüber einjährigen Nutzpflanzen haben und was uns die vergangene Domestizierung von Pflanzen darüber lehrt, wie wir neue Kulturpflanzen mit besonderen Nährstoffen und guter Anpassung an den Klimawandel gewinnen.

Computersimulationen haben viele Vorteile: Sie sind schneller und kostengünstiger als Experimente im Labor, und manches wäre in der Realität gar nicht möglich, zum Beispiel Beobachtungen über sehr lange Zeiträume in der Astronomie, oder als Experiment, wenn diese wie Crashtests sehr gefährlich sind. Doch die Computermodelle sind nur so gut wie die Methoden, mit denen sie ihre Berechnungen anstellen und die Daten, mit denen sie gefüttert werden. Mit herkömmlichen Methoden stoßen wir an Grenzen, wenn es darum geht hochkomplexe Phänomene wie Umweltereignisse oder biologische Systeme abzubilden. Das Exzellenzcluster „Daten-integrierte Simulationswissenschaft (SimTech)“ will beides vereinen: Große Datenmengen, die aus Erhebungen, Sensormessungen, Experimenten oder Simulationen zur Verfügung stehen, bilden die Grundlage innovativer Modellierungs- und Berechnungsmethoden. So können Vorhersagen und daraus resultierende Entscheidungen besser getroffen werden. Steffen Staab und Anneli Guthke geben Einblicke in die datenintegrierte Simulation.

Die Exzellenzcluster widmen sich nicht nur naturwissenschaftlichen Forschungsfragen, sondern natürlich auch den Geisteswissenschaften. Daher geht es diesmal um die Literaturwissenschaft und Theaterwissenschaft. Anna Luhn beschäftigt sich mit dem Konzept der literarischen Übersetzungen. Torsten Jost hingegen hat sich dem Theater verschrieben und erforscht, wie wir Aufführungen rezipieren und welche internationalen Konzepte sich mit der Bühne verbinden lassen.

Was wissen wir über Bakterien? Dieses Mal geht es um Bakterien, Antibiotika und Resistenzen. Zunächst sprechen wir mit Prof. Dr. Hannes Link darüber, wie der Stoffwechsel bei Bakterien funktioniert—denn wenn wir diesen verstehen, können Bakterien kontrolliert und so gezielt für unsere Zwecke eingesetzt oder unschädlich gemacht werden. Das zweite Thema sind Resistenzen und neue Antibiotika. Prof. Dr. Nadine Ziemert spricht mit uns über eine drohende Antibiotikakrise und erklärt, wie die Suche nach neuen Antibiotika mit modernsten Methoden funktioniert. Auf der Suche nach neuen Wirkstoffen gegen antibiotikaresistente Bakterien ist ihrem Team die Zeitreise zu einem Ur-Antibiotikum gelungen.

In dieser Folge kommen Physiker und Physikerinnen vom Exzellenzcluster PhoenixD zu Wort: Sprecher Prof. Dr. Uwe Morgner, Dr. Oliver Melchert und Doktorandin Stephanie Willms. Die drei sind Spezialisten für die Simulation von optischen, also lichtbasierten Phänomenen. Mit dem Computer berechnen sie physikalische Gesetzmäßigkeiten so exakt, dass ihre Vorhersagen praktische Experimente ergänzen und teilweise überflüssig machen. Dieses sogenannte dritte Standbein der Wissenschaft — neben dem Experiment und der Theorie —, wird mit stetig zunehmenden Rechenkapazitäten immer wichtiger

In dieser Episode von „Exzellent erklärt – Spitzenforschung für alle“ steht das Münchner Exzellenzcluster SyNergy im Fokus. Themen sind die Erforschung neurologischer Volkskrankheiten wie Alzheimer, Multiple Sklerose und Schlaganfall, die Selbstheilungskräfte des Gehirns sowie der interdisziplinäre Ansatz des Clusters. Besprochen werden aktuelle Fortschritte bei Reparaturmechanismen, der Bedeutung neuronaler Plastizität und dem Einsatz moderner Technologien wie KI für die Forschung.

Wissenschaft und Demokratie gehören zusammen. Wichtig ist, dass die Wissenschaft frei agieren kann. Forscher:innen sollen selber bestimmen können, zu welchen Themen sie forschen. Sie sollen sich politisch äußern können. Die Wissenschaftsfreiheit wird aber weltweit immer häufiger angegriffen, die drei großen Anfechtungen der Wissenschaftsfreiheit sind der Kulturwandel, die Ökonomisierung und alternative Wege, zu Wissen zu kommen. Wer bedroht die Wissenschaftsfreiheit und warum? Sind nur autokratische Systeme gefährdet? Wie ist es um die Wissenschaftsfreiheit in Deutschland bestellt?

Essen spielt in unserer Welt eine große Rolle. Wir feiern, indem wir gemeinsam Speisen zu uns nehmen. Wir genießen besonders gute Lebensmittel. Und wir kochen für andere Menschen, um ihnen etwas Gutes zu tun. In dieser Episode haben wir zwei Forscherinnen zu Gast, die sich genauer angeschaut haben, wie Menschen und Bonobos (Menschenaffen) essen und was die Nahrungsaufnahme mit dem Sozialverhalten zu tun hat.

Lange Zeit war es in der Afrikaforschung üblich, aus dem globalen Norden zu forschen. Das Exzellenzcluster „Africa Multiple“ geht neue Wege, indem neben dem Bayreuther Cluster vier quasi gleichberechtigte Standorte auf dem afrikanischen Kontinent eingerichtet wurden. Gemeinsam werden nun in den fünf Zentren viele Forschungsprojekte auf den Weg gebracht, die die afrikanische Perspektive in den Fokus stellen. Geforscht wird beispielsweise zu einem islamischen Kulturarchiv und zu Erinnerungsorten des jahrhundertelangen Sklavenhandels, dessen Folgen sich bis heute in den Gesellschaften Afrikas und der weiteren betroffenen Länder wie Brasilien und Nordamerika abzeichnen.

Krebs ist die zweithäufigste Todesursache in Deutschland. Bei den 45- bis 65-Jährigen ist eine Krebserkrankung sogar die häufigste Todesursache. Der Exzellenzcluster „iFIT“ forscht deshalb an neuen und innovativen Behandlungsmöglichkeiten, um dieser tückischen Krankheit Herr zu werden. Ein wichtiger Bestandteil ist dabei unser Immunsystem. Wie schaffen wir es, dass unser eigenes Immunsystem dem Krebs zu Leibe rückt? Eine entscheidende Rolle spielen die T-Zellen.

Im Jahr 2030 werden in Deutschland mehr als zehn Millionen Elektroautos die Straßen bevölkern. Und alle brauchen einen leistungsfähigen, schnellaufladbaren und sicheren Akku. Wie soll das gehen? In dieser Folge geben Prof. Dr. Bettina Lotsch und Sina Stegmaier Einblick in die Batterieforschung. Was sind die Probleme der aktuellen Akkus? Und wie könnte man sie lösen? Die beiden Chemikerinnen des Exzellenzclusters e-conversion erklären dabei auch, wie Batterien eigentlich funktionieren und welche Materialien für eine leistungsfähige Batterie gebraucht werden. Und sie verraten, was es mit den Festkörperbatterien auf sich hat, in die vor allem die Autoindustrie so große Hoffnungen setzt.

Wie ist das Leben entstanden? Über die Anfänge des Lebens ist recht wenig bekannt. Der Exzellenzcluster ORIGINS in München versucht, Leben im Labor entstehen zu lassen. Die Forschenden wollen nicht die biologische Evolution nachzeichnen, die sich im Stammbaum von Tieren, Pflanzen und Mikroorganismen widerspiegelt. Sie denken eher an sehr rudimentäre Formen des Lebens: An die ersten Moleküle, die sich selbst vervielfältigen und dabei selbstständig Information weitergeben konnten. Solche Einheiten müssen sich in einer Evolution der Moleküle aus weitaus einfacheren Bausteinen entwickelt haben.

Prof. Maria Cristina Polidori und Prof. Björn Schumacher forschen beide zum Thema Altern. Prof. Polidori als Ärztin in der Uniklinik mit dem Ziel noch vor dem Eintreten von Krankheiten im Alter aktiv zu werden und Prof. Schumacher im Labor wo eine Alternsuhr, ein genetischer Test, Aufschluss darauf geben soll, wie sich unser biologisches Alter verändert – beispielsweise durch Faktoren wie ungesunde Ernährung oder Rauchen. Durch diese genaue Mess-Methode kann es bald möglich sein, den Erfolg oder Misserfolg von Therapien frühzeitig zu dokumentieren und dann nachzujustieren. Bei diesem Forschungsbereich geht es aber nicht darum, uns unsterblich zu machen. Vielmehr ist es wichtig, dass wir gesund alt werden und nicht in die sogenannte Multimorbidität rutschen, also mehrere chronische Krankheiten gleichzeitig zu entwickeln.

Wie wäre es, den Händedruck eines entfernten Kollegen oder die Umarmung eines geliebten Menschen über das Internet zu spüren? Wie nah sind wir dran, dies Wirklichkeit werden zu lassen? Der Exzellenzcluster CeTI der TU Dresden leistet Pionierarbeit bei der Erforschung der Übertragung von Berührungen über das Internet, welches wichtige Bereiche unseres Lebens revolutionieren wird.

Prof. Dr. Gunther Hartmann erklärt, was es mit dem angeborenen und dem erworbenen Immunsystem auf sich hat und wie wir durch mRNA-Impfstoffe gezielt unser Immunsystem bei der Abwehr von Viren unterstützen können. Prof. Elvira Mass spricht über Umwelt- und Umgebungseinflüsse auf das Immunsystem. Zum einen haben Studien gezeigt, dass wir alle Mikroplastik-Partikel in unserem Körper haben – inwiefern dies uns schadet, versucht das Cluster zu erforschen. Außerdem erklärt sie, wie sich Faktoren wie Übergewicht bei der Mutter auf das ungeborene Kind übertragen und dieses schließlich ein Leben lang begleiten.

Die Speicherung von Energie ist eines der großen Themen unserer Zeit. Die Photoelektrokatalyse kann hier einiges bewirken. Beispielsweise könnten Solarbatterien gleichzeitig Sonnenlicht aufnehmen, umwandeln speichern und wieder abgeben. Wichtig in dieser Grundlagenforschung ist es, die richtigen Materialien zu finden, um eine möglichst effiziente Arbeitsweise sicherzustellen. Dabei tauchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler tief in den Nanokosmos ein und spüren Eigenschaften auf, die die Leistungsfähigkeit enorm prägen.

Kryptografie ist wie eine unsichtbare Schutzkraft, die unseren Alltag sicherer macht. Ob in Schlüsseln, Bankkarten oder Smartphones – die Verschlüsselungstechnologie sorgt dafür, dass unsere Daten geschützt bleiben. Doch trotz dieser Sicherheit gibt es immer wieder Angriffe von außen, bei denen oft mächtige Akteure wie Geheimdienste beteiligt sind. Sie setzen auf ausgefeilte Methoden, wie kaum erkennbare Hardware-Trojaner, um an sensible Informationen zu gelangen. In den letzten Jahren hat Künstliche Intelligenz das Spielfeld der Angriffe auf ein neues Level gehoben. Effiziente Attacken und Deepfakes, also täuschend echt gefälschte Bilder und Videos, fordern uns heraus. Wie können wir uns vor Ransomware-Angriffen schützen und gleichzeitig verhindern, auf digitale Täuschungen hereinzufallen?

Unsere Daten werden verschlüsselt, wenn wir im Internet surfen oder eine Nachricht per Messenger schicken. Bis jetzt sind viele dieser Verfahren recht sicher – wenn aber der Quantencomputer kommt, ist es mit dieser Sicherheit vorbei. Daher hat das Exzellenzcluster CASA Verschlüsselungsmethoden entwickelt, die sogar Quantencomputern standhalten können. Außerdem wird erforscht, wie die IT-Sicherheit so umgesetzt werden kann, dass sie für Anwender*innen verständlicher und einfacher in der Anwendung wird.

Wie wird die Zukunft der Landwirtschaft aussehen? Beim Exzellenzcluster PhenoRob in Bonn hat man davon eine recht klare Vorstellung. Drohnen fliegen über die Felder und erfassen den Zustand der Pflanzen. Am Boden sind Roboter unterwegs, die einzelne Nutzpflanzen gezielt mit Dünger versorgen oder Unkraut entfernen.

In dieser Episode von Exzellent erklärt – Spitzenforschung für alle tauchen wir tief hinab in die unerforschte Welt der Tiefsee. Larissa Vassilian spricht mit den Wissenschaftlern Dr. Florence Schubotz und Dr. Michael Seidel über das Leben in der tiefen Biosphäre, den globalen Kohlenstoffkreislauf und die faszinierenden schwarzen Raucher – heiße Quellen am Meeresboden, die extremen Lebensraum für spezialisierte Organismen bieten. Dabei geht es um die Anpassungsfähigkeit von Mikroorganismen, die Rolle der Ozeane im Klimawandel und die Auswirkungen menschlicher Einflüsse wie Mikroplastik und Tiefseebergbau. Eine Reise zu den letzten unerforschten Regionen unseres Planeten!

Das Verhalten einzelner Atome und Moleküle kann man in der Quantenphysik sehr gut vorhersagen. Schwieriger wird das, wenn sich viele Teilchen zusammentun und kollektive Effekte eine wichtige Rolle spielen. Da sind noch viele Fragen offen. Die Quantensimulation – und zwar nicht am Computer, sondern im Labor – soll helfen, diese Fragen zu beantworten. Zum Beispiel möchte man herausfinden, wie genau Hochtemperatur-Supraleiter funktionieren – und ob man es durch das bessere Verständnis schaffen kann, diese Supraleiter eines Tages dann auch bei Raumtemperatur zu betreiben.

Wir wissen noch erstaunlich wenig über Intelligenz. Zum Beispiel wissen wir nicht, wie sie entsteht. Das Cluster Science of Intelligence in Berlin versucht, dazu grundlegende Hypothesen aufzustellen. Dazu forschen sie sowohl an Tieren wie Kakadus oder Fischen, gehen aber auch neue Wege und programmieren Roboter, um bestimmte Verhaltensweisen zu erforschen.

Prof. Johannes Müller und Dr. Katharina Fuchs forschen zu verschiedenen Fragen, die unsere Wurzeln betreffen. Es geht sowohl um den Klimawandel, um Nachhaltigkeit, um Ungleichheit & Identität, Mobilität & Migration und Konflikt. Erstaunlich ist, dass bei näherer Beschäftigung unsere heutigen Themen gar nicht so neu sind wie es uns scheint. Der Mensch hat schon vor Tausenden von Jahren seine Umwelt verändert, beispielsweise durch die Jagd. Und Migration hat es ebenfalls schon immer gegeben, wie Prof. Johannes Müller betont.

Prof. Jens Friedrichs und Prof. Rolf Radespiel vom Exzellenzcluster SE²A in Braunschweig haben ein ehrgeiziges Ziel: Bis 2050 sollen Flugzeuge nachhaltig fliegen. Das bedeutet, dass sie dann nicht mehr mit fossilem Kerosin in der Luft sind, sondern entweder mit elektrischem Strom, Wasserstoff oder synthetischem Kerosin. Mit den Flugzeugen, wie wir sie kennen, werden diese Flugzeuge der neuen Generation nicht mehr viel gemeinsam haben.

Jedes Jahr erhalten etwa eine halbe Millionen Menschen in Deutschland die Diagnose Krebs ([Quelle](https://www.krebsinformationsdienst.de/forschung/krebszahlen )). Die Krankheit war 2023 die [zweithäufigste Todesursache](https://www.destatis.de/DE/Themen/Gesellschaft-Umwelt/Gesundheit/Todesursachen/_inhalt.html ) in der Bundesrepublik. Das Alter ist und bleibt der Hauptrisikofaktor für die Erkrankung, was vor dem Hintergrund steigender Lebenserwartung und einer immer älter werdenden Bevölkerung nach neuen Maßnahmen und Therapien ruft. Glücklicherweise arbeiten Forschende weltweit tagtäglich an der Entwicklung neuer Therapien oder der Weiterentwicklung bestehender. Darunter ist auch Jun. Prof. Dr. Josef Leibold. Zusammen mit seinem Team will er die sogenannte „CAR-T-Zell Therapie“, eine innovative Krebsimmuntherapie, verbessern.