Willkommen im News Archiv

Das KI-Gesetz ist der weltweit erste Versuch, künstliche Intelligenz (KI) zu regulieren. Das Gesetz unterscheidet KI-Anwendungen nach vier Risikokategorien, die das Ausmaß widerspiegeln, in dem KI die europäischen Grundwerte gefährdet. Systeme, die die Rechte der Bürger verletzen, wie z. B. Social Scoring, sind verboten. "Wir sind derzeit dabei, diesen risikobasierten Ansatz zu bewerten. Man kann sich des Eindrucks nicht erwehren, dass zwar bestimmte Risikofälle berücksichtigt wurden, es aber versäumt wurde, diese auf technologischer Ebene zu spezifizieren", sagt Frederike Zufall. Christian Wressnegger ergänzt: "Jede Technologie kann für andere, vielleicht unerwünschte Anwendungen eingesetzt werden. Im Zweifelsfall ist die technische Anpassung eine geringere Aufgabe als die Definition, wofür das System derzeit eingesetzt wird."

Die Herstellung von Beton ist weltweit für etwa sechs bis neun Prozent aller vom Menschen verursachten CO₂-Emissionen verantwortlich. Mit der Inbetriebnahme einer Pilotanlage für Belit-Zementklinker erproben KIT-Forschende nun einen wichtigen Baustein für die Herstellung von klimaneutralem Kreislaufbeton. "Grundlage ist das Recycling von Beton", sagt Rebekka Volk, die an der Entwicklung des Ressourcenkreislaufs beteiligt ist. "Statt hochwertige Betonreste zu deponieren oder im Straßenbau einzusetzen, nutzen wir Gebäude am Ende ihres Lebenszyklus als Ressource, um wieder einen hochwertigen Baustoff zu produzieren.“ Zur Herstellung des Zementklinkers werden dabei besonders feinkörnige Betonabfälle verwendet. Im Vergleich zur konventionellen Klinkerherstellung ist der Gesamtenergieverbrauch um 40 Prozent geringer.

Für ihre Forschung zu nachhaltigen thermoakustischen Technologien für Kühlung, Heizung und Stromerzeugung wurde Jingyuan Xu mit dem Ökologiepreis der Heidelberger Akademie der Wissenschaften ausgezeichnet. Ihre Arbeit umfasst Kühlung, Kryogenik, Stromerzeugung, Wärmepumpen und Multigenerationssysteme mit Schwerpunkt auf erneuerbaren Energiequellen und Abwärme. Die Technologie wandelt thermische Energie in akustische Energie im thermoakustischen Motor um. Die akustische Energie wird genutzt, um Wärme über eine thermoakustische Wärmepumpe zu pumpen oder Strom über einen Generator zu erzeugen. Die thermoakustische Technologie arbeitet ohne schädliche ozonabbauende Gase oder mechanisch bewegte Teile und bietet die Möglichkeit einer kostengünstigen Installation auf der Grundlage einfacher Komponenten.

Drei YIN-Mitglieder stellen ihre Forschung im aktuellen KIT-Magazin lookKIT mit dem Schwerpunkt Gesundheit vor. Axel Loewe nutzt Computermodelle und maschinelles Lernen, um die Herzdiagnostik zu verbessern und den Ursprung von Extrasystolen zu lokalisieren. Claudia Niessner zeigt, dass ein aktiver Lebensstil ein starkes Herz-Kreislauf-System fördert, das Risiko von Übergewicht, Diabetes und Osteoporose reduziert sowie die psychische Gesundheit, kognitive Funktionen und die Schlafqualität verbessert. Somidh Saha befasst sich mit den Auswirkungen von Stadtbäumen: Sie entfernen Schadstoffe aus der Luft, senken die Umgebungstemperatur in heißen Sommern und haben eine positive Wirkung auf die Psyche.

Der Bausektor verursacht bereits mehr als 40 Prozent aller CO₂-Emissionen weltweit, und die Kosten für Rohstoffe steigen. Kreislaufwirtschaft und nachhaltigere Architektur erfordern innovative Ansätze. Moritz Dörstelmann und sein Team kombinieren digitale Entwurfs- und Fabrikationsstrategien mit historischer Architektur und neuartigen Materialien auf Basis natürlicher Ressourcen. Die digitalen Bautechnologien ermöglichen einen skalierbaren Einsatz der natürlichen Baumaterialien in leistungsfähigen Bauteilen. In ihrem Demonstrationsprojekt haben die Forschenden Fachwerkhäuser neu interpretiert: Ihre Kombination aus Holz und Weiden-Lehm-Verbundwerkstoffen präsentieren sie bis zum 6. Oktober 2024 auf der Landesgartenschau in Wangen im Allgäu.

Jingyuan Xu erforscht neuartige festkörperbasierte Kühlverfahren, die den elastokalorischen Effekt in speziell dafür optimierten Formgedächtnis-Dünnschichten nutzen. Diese Materialien geben Wärme ab, wenn ein magnetisches Feld, ein elektrisches Feld oder eine mechanische Kraft angelegt wird. Nach Entfernen des Feldes ziehen sie Wärme aus ihrer Umgebung und es kommt zu einem Kühleffekt. Diese Technologie ist umweltfreundlich, geräuschlos und effizienter als herkömmliche Kompressorsysteme. Jingyuan Xu beschäftigt sich vor allem mit Miniaturkühlsystemen, zum Beispiel für elektronische oder bioanalytische Chips. Seit 2024 leitet sie eine Carl Zeiss Nexus-Forschungsgruppe und wurde nun gleich zweimal ausgezeichnet.

Bei künstlicher Intelligenz und Chatbots handele es sich – pädagogisch betrachtet – um einen weiteren Anlass, anhand dessen sich erziehen, bilden und letztendlich mündiges Handeln erlernen lasse. So die These von Britta Klopsch und Johannes Gutbrod, die sie in der Zeitschrift für Technikforgenabschätzung in Theorie und Praxis (TATuP) aufstellen. Denn erklärtes Ziel aller unterrichtlichen Bemühungen sei die Urteilsfähigkeit durch Bildung. Wer Chatbots für Online-Recherche, Hausarbeiten, Referate oder Ähnliches verwenden möchte, müsse zuerst einmal in der Lage sein, die richtigen Fragen zu stellen und die künstlich generierten Antworten kritisch zu hinterfragen. Eine solche Urteilsfähigkeit erreiche man ausschließlich über Bildung, nicht über Chatanfragen.

Tandemsolarzellen auf der Basis von Perowskit-Halbleitern wandeln Sonnenlicht effizienter in Strom um als Siliziumsolarzellen. Die defekt- und lochfreie Herstellung der multikristallinen Dünnschichten mit kostengünstigen und skalierbaren Verfahren ist jedoch eine Herausforderung. Um die Faktoren zu finden, die die Beschichtung beeinflussen, haben sich Solarzellenexperten mit Spezialisten der Plattformen Helmholtz Imaging und Helmholtz AI (Artificial Intelligence) zusammengetan. "Dank des kombinierten Einsatzes der AI haben wir eine Idee, an welchen Stellschrauben wir drehen müssen, um die Produktion zu verbessern, und können unsere Experimente zielgerichteter durchführen", so Mitautor Ulrich W. Paetzold.

Mit dem Maria Gräfin von Linden-Preis zeichnet der Verband Baden-Württembergischer Wissenschaftlerinnen besonders qualifizierte Nachwuchswissenschaftlerinnen aus den Lebenswissenschaften sowie den Geistes- und Sozialwissenschaften aus. 2023 gingen erstmals die Preise in beiden Kategorien ans KIT: Charlotte Debus (l.) und Claudia Niessner (r.) überzeugten die Jury mit ihren Vorträgen über "KI in den Naturwissenschaften: von ChatGPT zur Energiewende” sowie „Daten für Taten: Corona-Knick in der Motorik von Kindern?“ Der Preis wird seit 2001 alle zwei Jahre verliehen. Vom KIT war zuletzt YIN-Alumna Stefanie Speidel im Jahr 2011 erfolgreich gewesen. Seit 2017 ist sie Professorin an der TU Dresden.

Besonders Mineralstaub hat einen starken Einfluss auf Wetter und Klima. Der Wind liest die Partikel von Wüsten oder verlassenen Feldern auf und trägt sie in die Atmosphäre, wo lokale Luftströmungen sie nach oben und hinforttragen. Die Auswirkungen von Staubwolken sind vielfältig: durch Streuung der Sonnenstrahlung kühlen sie die Atmosphäre, durch Absorption der Strahlung erwärmen sie sie. In Zusammenarbeit mit internationalen Partnern, darunter die NASA-Mission EMIT, untersuchten Martina Klose und ihr Team in der Jordanischen Wüste, welche Zusammensetzungen bevorzugt vom Wind mitgerissen werden und wie groß die Staubpartikel werden können. Die Ergebnisse werden auch dazu beitragen, Staubereignisse und ihre Auswirkungen besser vorherzusagen.

Städtische und stadtnahe Wälder spielen eine wichtige Rolle für die physische und mentale Gesundheit der Menschen vor Ort. Eine Erhöhung der Baumartenvielfalt und der Biodiversität städtischer Grünflächen könnte eine Möglichkeit sein, diese gegen Klimaveränderungen und Extremwetterereignisse zu wappnen. Doch wie reagiert das menschliche Gehirn auf städtische Wälder mit unterschiedlichem Grad an Diversität? Welchen Einfluss hat die Zusammensetzung der Baumarten auf deren Fähigkeit, Hitze zu mindern? Und welche negativen Auswirkungen, wie beispielsweise ein erhöhtes Allergierisiko könnten mit einer Umgestaltung einhergehen? Damit beschäftigt sich das vom BMBF geförderte Projekt FutureBioCity unter Leitung von Somidh Saha.

Zusätzliche Herzschläge können mit schnellen Herzrhythmusstörungen zusammenhängen und insbesondere bei bestehender Herzschwäche lebensbedrohlich werden. Auslöser sind elektrische Signalquellen, die anders als beim normalen Herzschlag nicht aus dem Sinusknoten stammen. Sie lassen sich über einen Spezialkatheter mit Hochfrequenzstrom veröden. Um den Ursprungsort nicht invasiv zu bestimmen, setzen Forschende am KIT künstliche neuronale Netze ein, die auf Daten aus einem realistischen Simulationsmodell trainiert sind. „Nach weiterer Optimierung anhand von klinischen Daten besitzt unsere Methode das Potenzial, medizinische Eingriffe zu beschleunigen, Risiken zu verringern und die Ergebnisse zu verbessern“, so Co-Autor Axel Loewe.

Die Ozonschicht schützt die Erde vor ultravioletter Sonnenstrahlung. Ein Anstieg des Wasserdampfs in der Stratosphäre könnte den Klimawandel verstärken und die Regeneration der Ozonschicht verlangsamen. Um die Vorhersage zu verbessern, haben Peer Nowack und ein internationales Forschungsteam ein statistisches Lernverfahren entwickelt, das Informationen aus Satellitenbeobachtungen mit modernsten Klimamodelldaten kombiniert. "Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die stratosphärischen Wasserdampfkonzentrationen mit der globalen Erwärmung zunehmen werden. Große Veränderungen, die die Erholung der Ozonschicht erheblich verzögern könnten, sind jedoch höchst unwahrscheinlich", so Nowack.

Ein neues Verfahren macht es möglich, nanometerfeine Strukturen aus Quarzglas direkt auf Halbleiterchips zu drucken. Als Ausgangsmaterial dient ein flüssiges Polymerharz bestehend aus winzigen käfigartigen Siliziumdioxidmolekülen mit organischen funktionellen Gruppen. Bei Erhitzen der gedruckten 3D-Struktur werden die organischen Komponenten ausgetrieben und die anorganischen Moleküle verbinden sich zu reinem Quarzglas. Mit auf 650 Grad Celsius ist die erforderliche Temperatur nur halb so hoch wie bei herkömmlichen Herstellungsverfahren. Gemeinsam mit Forschenden aus Irvine, Kalifornien, stellt Emmy-Noether Gruppenleiter Jens Bauer das Verfahren in der Zeitschrift SCIENCE vor.

Der klimafreundliche Umbau des Energiesystems ist eine gewaltige Aufgabe. Die Kopplung verschiedener Energiesektoren und dezentralere, schwankende Energiemengen aus erneuerbaren Quellen haben einen großen Einfluss auf das Netz, sagt Giovanni De Carne. Auf der Hannover Messe zeigt seine Gruppe Real Time System for Energy Technologies im Energy Lab 2.0, wie sich Energienetze in verschiedenen Konfigurationen simulieren lassen. Mit der Megawattanlage Power Hardware in the Loop (PHIL) können sie neue technologische Komponenten einbauen, deren Auswirkung auf das Netz realitätsnah testen und anhand der erfassten Daten einen digitalen Zwilling modellieren. Mehr informationen bei KIT Energy Solutions (Halle 13, Stand C70).

Im Jahr 2022 haben YIN-Mitglieder mehrere herausragende Preise erhalten, einen neuen Rekord bei der Einwerbung zusätzlicher Drittmittel erreicht und eine deutlich höhere Zahl an Veröffentlichungen in von Experten begutachteten Fachzeitschriften publiziert - darunter sieben Publikationen in Nature Communications und Nature Energy. Während die meisten COVID19-bedingten Einschränkungen nun hinter uns liegen, hat die Pandemie auch die Tragfähigkeit alternativer Arbeitsmodelle gezeigt. Dieses Thema aufgreifend, konzentriert sich das Hot Topic auf "Job-Sharing for Professors". Dieses neue Konzept scheint vor allem Wissenschaftlerinnen anzuziehen und ist in der Mathematik und den Naturwissenschaften besonders wenig verbreitet. Lesen Sie, um mehr zu erfahren.

Mit dem Research Career Development Award fördert die Hector Fellow Academy herausragende Forschende in der Phase zwischen Postdoc und Professur. „Der Preis wird es meiner Gruppe ermöglichen, künstlich hergestellte Anordnungen von Magneten im atomaren Maßstab zu erforschen“, freut sich Philip Willke. Diese neue Art von Systemen soll helfen, bestimmte Phänomene, die aus den Grundsteinen der Materie entstehen, besser zu verstehen. Als einer von drei Geförderten erhält er die Finanzierung einer Promotionsstelle und wird für fünf Jahre Mitglied der Hector Fellow Academy, welche exzellente Forschende aus den Natur- und Ingenieurwissenschaften, aus Medizin und Psychologie verbindet.

Komplexe Materialien auf der Basis von Seltenen Erden sind wichtig für viele Hightech-Anwendungen wie für Dauermagnete oder in Displays. Der neue Sonderforschungsbereich "4f for Future" untersucht nun die Synthese und die physikalischen Eigenschaften von molekularen und nanoskaligen Seltene-Erden-Verbindungen mit dem Ziel neuartiger Anwendungen. Schirin Hanf und Alexander Hinz leiten als Co-PIs jeweils eigenständige Teilprojekte innerhalb dieses Verbundes. Neben dem KIT als Koordinator sind auch die Philipps-Universität Marburg, die LMU München und die Universität Tübingen beteiligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert das interdisziplinäre Konsortium mit mehr als zehn Millionen Euro in den nächsten vier Jahren.

Maschinelles Lernen (ML) ist traditionellen Methoden oft überlegen. Beim Einsatz in der Computersicherheit gibt es allerdings Schwachstellen, wie das Team von Christian Wressnegger gemeinsam mit internationalen Partnern herausgefunden hat. „Ein lernendes Virenschutzprogramm beispielsweise, das anhand unvollständiger Daten trainiert wurde, könnte sich in der Praxis als unbrauchbar erweisen“, erklärt Wressnegger. Die Forschenden haben 30 aktuelle Arbeiten untersucht, die ML für die IT-Sicherheit nutzen und auf prestigeträchtigen Computer- und Systemsicherheitskonferenzen veröffentlicht wurden. Alle hatten eine oder mehrere Fehlerquellen nicht berücksichtigt. „Es fehlt an Bewusstsein für die Schwierigkeiten, Maschinelles Lernen korrekt anzuwenden“, so der Experte.

Um neue Produkte schneller auf den Markt zu bringen, müssen Unternehmen unreife Produktionsprozesse im laufenden Betrieb verbessern. Ziel der neuen DFG-Forschungsgruppe am KIT ist es, mit dem systematischen Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) Prozess-anpassungen kostengünstiger, schneller und effizienter zu machen. Im Teilprojekt „Management und Quantifikation von Prozessreife-Verbesserung“ befasst sich Tobias Käfer mit der wissensgraph-basierten Modellierung von Daten und Wissen über den Prozess und ihrer Bereitstellung für Fachleute. Herausforderungen wie der Verteilung der Daten, ihrer Heterogenität und der Berücksichtigung von physikalischem Wissen begegnen die Forschenden, indem sie Methoden semantischer Datenverarbeitung mit qualitativem Schließen kombinieren.

Was sind weizenbedingte Erkrankungen und wie sieht unser Brot der Zukunft aus? Darüber spricht SWR-Moderator Ralf Caspary mit Lebensmittelchemikerin Katharina Scherf. Getreide gehört weltweit zu den wichtigsten Nährstofflieferanten, enthält aber auch Klebereiweiße bzw. Gluten und andere immunreaktive Bestandteile. Wieso immer mehr Menschen von einer Weizenunverträglichkeit berichten, ist noch nicht abschließend geklärt. Neben den Inhaltsstoffen im Weizen selbst sowie den Anbau- und Verarbeitungsmethoden, spielten auch das Immunsystem des Menschen und seine Reaktion auf veränderte Umwelteinflüsse eine Rolle. Beispielsweise steige die Zahl an Allergie- und Stresserkrankungen, so Katharina Scherf, während der Eiweißgehalt im Weizen sogar eher abgenommen habe.

Christian Grams (m.), der seit Februar 2021 Teil des erweiterten YIN-Vorstands ist, hat eine neue Aufgabe übernommen: Gemeinsam mit Katharina Scherf (r.) spricht er nun als Repräsentativer Vorstand für YIN! In den letzten 2,5 Jahren hat Hartwig Anzt (l.) diese Position erfolgreich ausgefüllt. Im August hat er die Nachfolge von Jack Dongarra angetreten, dem letzten Gewinner des Turing Awards – des so genannten "Nobelpreises für Rechnen" – als Leiter des Innovative Computing Lab an der University of Tennessee. Dennoch wird Hartwig Anzt weiterhin einen Teil seiner Zeit am KIT verbringen, um das vom BMBF geförderte Projekt WarmWorld zu unterstützen, welches die Software des globalen Wetter- und Klimavorhersagemodells ICON auf den neuesten Stand bringen wird.

Ein großes DANKESCHÖN an alle drei für ihr Engagement und ihren Enthusiasmus!

Die Energiewende erfordert den Ausbau der Stromnetze, um erneuerbare Erzeuger mit den Verbrauchern zu verbinden und Strom über weite Entfernungen zu transportieren. Die Kapazitäts-erhöhung bestehender oder das Hinzufügen neuer Leitungen können jedoch kontraintuitiv auch die Gesamtleistung des Systems verringern und Stromausfälle fördern. "Wir präsentieren einen experimentellen Aufbau, der dieses Braess'sche Paradox demonstriert, und eine topologische Theorie, die den Schlüsselmechanismus dahinter aufdeckt", so Erstautor Benjamin Schäfer. "Jede Aufrüstung eines Netzes, die einen Kreisfluss induziert, der mit dem Fluss auf der am stärksten belasteten Leitung übereinstimmt, wird die Last dort weiter erhöhen." Die Ergebnisse bieten eine theoretische Methode und praktische Richtlinen, um die Netzplanung zu unterstützen.

Die Dynamik des Stromverbrauchs ist für die Planung und den Betrieb nachhaltiger Energiesysteme von entscheidender Bedeutung. "Während Schwankungen in der erneuerbaren Energieerzeugung recht gut untersucht sind, fehlt es noch an einem tieferen Verständnis der Schwankungen in der Verbrauchsdynamik", sagt Benjamin Schäfer, einer der Erstautoren. "Wir haben nun die durchschnittlichen Nachfrageprofile von den Nachfrageschwankungen auf Basis von reinen Zeitreihendaten getrennt, ohne irgendwelche Modellannahmen vorauszusetzen." Dieser Ansatz verbessert das Verständnis der Nachfragedynamik und insbesondere ihrer Schwankungen. "Wir hoffen, unsere Erkenntnisse tragen dazu bei, aktuelle und künftige (Mikro-)Netze genauer auf den Ausgleich von Angebot und Nachfrage einzustellen."

Im Juli 2022 haben Luise Kärger (r.) und Nadine Rühr (l.) ihre ordentliche Professur am KIT angetreten. Luise Kärger hat sich im Heisenberg-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) durchgesetzt. Damit würdigt die DFG die hohe wissenschaftliche Qualität und Originalität ihrer Forschung auf internationalem Niveau und fördert ihre Professur für Digitalisierung im Leichtbau für die nächsten fünf Jahre. Nadine Rühr ist nun Professorin für Klimaökophysiologie am KIT Campus Alpin in Garmisch-Partenkirchen. Ihre Professur wird von der Helmholtz-Gemeinschaft über das Erstberufungsprogramm für exzellente Wissenschaftlerinnen gefördert. Hauptauswahlkriterium war ihre herausragende wissenschaftliche Leistung an Forschungseinrichtungen im In- und Ausland.

Forschende am KIT haben einen Prototypen eines All-Perowskit-Tandem-Solarmoduls mit einem Wirkungsgrad bis 19,1 Prozent auf einer Aperturfläche von 12,25 Quadrat-zentimetern entwickelt - ein technologischer Durchbruch! "Das Ergebnis motiviert zu weiteren Arbeiten, um die ebenso nachhaltige wie zukunftsträchtige Technologie durch Aufskalierung sowie Verbesserung der Stabilität zur Marktreife zu bringen“, erklärt Gruppenleiter und Hauptautor Ulrich Paetzold. Der geringe Wirkungsgradverlust bei Aufskalierung basiert auf drei wesentlichen Innovationen: gezieltem Lichtmanagement zur Reduktion optischer Verluste in der Solarzellenarchitektur, Hochdurchsatz-Laser-Strukturierung und dem Einsatz etablierter industriell-skalierbarere Beschichtungsverfahren. Die Fachzeitschrift Nature Energy berichtet.

Nachgefragt! Das Thema des laufenden Wissenschaftsjahres prägte auch das Programm der Jahresfeier 2022 des KIT: Beim Empfang bewegten sich ausgesuchte YIN-Mitglieder als "Walking Scientists" unter den Gästen und beantworteten Fragen zu ihrer Forschung. Ihre Expertisen reichten von Didaktik (Ingo Wagner) und Geothermie (Kathrin Menberg) über Brennstoffzellen (Jan Haußmann), Energiesysteme (Giovanni de Carne) und Energieinformatik (Benjamin Schäfer) bis hin zu künstlicher Intelligenz (Michael Färber) und Lebensmittelchemie (Katharina Scherf). Für die Nachwuchsführungskräfte ergab sich umgekehrt die Gelegenheit, mit Gästen etwa aus Bundes- und Landesministerien ins Gespräch zu kommen. Ingo Wagner wurde zudem mit Fakultätslehrpreis für Geistes- und Sozialwissenschaften ausgezeichnet.

Die im Wettbewerb vergebenen YIN Grants bieten ein Startbudget zur Erprobung und Entwicklung vielversprechender Ideen. Der beste Antrag wird zudem mit dem YIN Award ausgezeichnet und vom Vizepräsidenten für Forschung signiert. In diesem Jahr geht er an Claudia Bizzarri und Manuel Tsotsalas. Sie wollen mithilfe photoaktiver mikroporöser metall-organischer Gerüst-verbindungen CO₂ aus der Umwelt absorbieren und in wertvolle Chemikalien umwandeln. Philip Willke und Pascal Friederich erhalten einen YIN Grant, um mit maschinellem Lernen Daten aus der Rastertunnelmikroskopie zu analysieren und daraus neue physikalische Erkenntnisse zu gewinnen. Katharina Scherf und Ulrike van der Schaaf untersuchen, wie sich gesunde Pflanzenöle so umwandeln lassen, dass sie in Gebäck butterähnliche Eigenschaften annehmen.

Katharina Scherfs Forschungsschwerpunkt liegt auf den funktionellen Eigenschaften von Gluten und der Wirkung von Enzymen auf Gluten und Brot. Darüber hinaus befasst sie sich mit analytischen, immunologischen und biochemischen Aspekten der Zöliakie, der Nicht-Zöliakie-Glutensensitivität und der Weizenallergie. Mit dem Harald-Perten-Preis zeichnet die Internationale Gemeinschaft für Getreidechemie herausragende Leistungen in Wissenschaft, Forschung, Lehre oder Wissensvermittlung aus, die den Getreidewissenschaften und der Getreidetechnologie dienen - in erster Linie in Anerkennung praktischer Anwendungen auf den Gebieten Stärke, Gluten und Enzyme. Der Preis wird seit 1990 alle zwei Jahre von der Harald-Perten-Stiftung gesponsert.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) vergibt den Heinz Maier-Leibnitz-Preis an Nachwuchswissenschaftler/-innen als Auszeichnung für ihre herausragenden Leistungen. Pascal Friederichs interdisziplinäre Arbeit konzentriert sich auf den Einsatz künstlicher Intelligenz zur Simulation von Materialien, virtuellem Materialdesign und autonomen Experimentierplattformen zur automatischen Materialerkennung. "Der Leibnitz-Preis ist eine tolle Anerkennung seiner großartigen Arbeit. Wir sind stolz und freuen uns sehr mit ihm", sagt der Präsident des KIT, Professor Holger Hanselka. Der letzte Preisträger am KIT war YIN-Alumnus Pavel Levkin im Jahr 2015. Der Heinz Maier-Leibnitz-Preis ist nach dem Physiker und ehemaligen Präsidenten der DFG benannt.

Philip Willke erhält die Auszeichnung für "seine herausragenden experimentellen Arbeiten zur Erforschung von einzelnen Elektronen- und Kernspins mittels Elektronenspinresonanz an einzelnen Atomen auf Oberflächen". Mit seiner Emmy-Noether-Gruppe forscht er im Grenzbereich von Quantentechnologien und Nanowissenschaften. Die von ihm zur Reife entwickelte Technik der Einzel-Atom-Elektronenspinresonanz ist derzeit ein aufregendes Feld in der Festkörper- und Oberflächenphysik. Die individuelle Vermessung der quantenmechanischen Eigenschaften einzelner Atome und Moleküle auf Oberflächen eröffnet völlig neue Möglichkeiten, atomare Strukturen zu manipulieren und künstliche Quantensysteme zu kreieren.

Computernetzwerke in kritischen Infrastrukturen sind oft physisch isoliert, um den Zugriff von außen zu verhindern. Sie haben weder drahtgebundene noch drahtlose Verbindungen nach außen - sie sind "air-gapped". Indem sie Laserlicht auf eingebaute LEDs richten, konnten Forscher nun eine optische Kommunikation zu diesen Systemen herstellen. Die Datenübertragung funktioniert dann in beide Richtungen über eine Entfernung von bis zu 25m. "Optische Angriffe sind bei handelsüblichen Bürogeräten in Unternehmen, Universitäten und Behörden möglich", sagt Christian Wressnegger, Leiter der Gruppe Sicherheit intelligenter Systeme bei KASTEL. Im Projekt LaserShark kooperiert er mit Forschern der TU Braunschweig und der TU Berlin.

Mit dem Life Science Bridge Award unterstützt die Aventis Foundation talentierte junge Forscher und ermutigt sie, riskante und unkonventionelle wissenschaftliche Ideen zu verfolgen. Frank Biedermann und seine Emmy Noether-Gruppe haben ein alternatives Rezeptordesign-Prinzip getestet, das hohe Bindungsaffinitäten für synthetische makrozyklische Verbindungen gewährleistet. So haben sie kürzlich einen fluoreszierenden künstlichen Rezeptor für den Neurotransmitter Serotonin vorgestellt, der stärkster und selektivster wirkt, als die bisher bekannen. Er hofft, dass seine Erfindung klinisch relevant wird, um echten Patienten zu helfen. Mit Frank Biedermann, Zeynep Altintas und Lucas Jae erhielten 2021 drei Postdoktoranden die Auszeichnung.

Zellen müssen genau kontrollieren, welche Gene sie verwenden. Forscher haben nun herausgefunden, dass die Bildung von Transkriptionsfabriken im Zellkern der Kondensation von Flüssigkeiten ähnelt: Mit Flüssigkeit umhüllte Bereiche des Genoms erlauben das Anhaften relevanter Gensequenzen und zusätzlicher Moleküle, welche die anhaftenden Gene schließlich aktivieren. "Unsere Forschung zeigt, wie die biologische Zelle solche Vorgänge schnell und gleichzeitig zuverlässig organisiert. Die von uns erstellten Computersimulationen und Funktionskonzepte lassen sich direkt auf künstliche DNA-Systeme übertragen und können deren Design unterstützen", sagt Lennart Hilbert, einer der korrespondierenden Autoren.

Feststoffbatterien können die Elektromobilität voranbringen: Lithiummetall als Anodenmaterial und ein fester Elektrolyt (SSE) ermöglichen die Energiedichte zu erhöhen und damit die Reichweite von Elektroautos zu verlängern. „Die Sicherheit verbessert sich ebenfalls wesentlich, da die Batteriezellen keine flüssigen und leicht brennbaren Bestandteile mehr enthalten“, erläutert Dominic Bresser. „Zudem erhöht sich die Robustheit der Zellen, wodurch Handhabung, Kühlung und Systemintegration leichter werden.“ Im Verbundprojekt unter Koordination der BMW AG betrachten Partner aus Wissenschaft und Industrie die gesamte Wertschöpfungskette: von der Auswahl der Materialien über Verarbeitung und Skalierung bis hin zum Recycling.

In Karlsruhe und Rheinstetten ist die Zahl der Waldbesuche während der COVID-19-Pandemie deutlich gestiegen. Städtische und stadtnahe Naturräume hätten gerade in einer Zeit der Beengung und Beschränkung wesentlich zum subjektiven Wohlergehen beigetragen, sagt Somidh Saha. Er ist Hauptautor der im international angesehenen Periodikum Sustainable Cities and Society erschienenen Studie zur Bedeutung von Wäldern als Kulturökosysteme. Zwar nutzten die Befragten nahe gelegenen Standorten vermehrt, maßen stadtnahen Wäldern jedoch einen höheren Wert bei. Das angewandte Verfahren er partizipativen Kartierung eigne sich auch, um die Bedürfnisse der Bevölkerung in die Planung urbaner Wälder einzubeziehen.

Christian Grams (l.) und Ulrich Paetzold (r.) erhielten die Bestnote „Mit außerordentlichem Erfolg“ bei der Evaluation ihrer Helmholtz-Nachwuchsgruppen. Damit haben ihnen das Council for Research and Promotion of Young Scientists (CRYS) und das Präsidium des KIT bescheinigt, ihre Forschung unabhängig mit überragender Qualität durchgeführt und ein eigenständiges wissenschaftliches Profil entwickelt zu haben. Christian Grams erforscht die großräumige Variabilität des Wettergeschehens über Europa mit dem Ziel Vorhersagen über 14 Tage hinaus zu verbessern. Ulrich Paetzold beschäftigt sich mit fortschrittlicher Optik und neuen Materialien für Perowskit-Photovoltaik der nächsten Generation.

Ein neues automatisiertes Bildgebungsverfahren verbessert die derzeitige Fehlermarge beim Fortschritt von Rohrleitungsarbeiten auf der Baustelle um etwa 70 Prozent verbessern. „Gleichzeitig reduziert sich die Gesamtzeit für die Datenerfassung und -analyse vor Ort um etwa 30 Prozent“, so Reza Maalek, dessen Team die neue Methode in Zusammenarbeit mit der University of Calgary entwickelt. Dabei nutzen die Forscher mit dem Smartphone aufgenommene Videos mit optimaler Bilderzahl, um eine ausreichende Genauigkeit zu erhalten. Die Auswertung der Daten erfolgt über Punktwolken, aus denen Rohrleitungen automatisch erkannt und digital dokumentiert werden.

Zirren sind dünne Eiswolken in größer Höhe. Über der Arktis entstehen sie auf natürliche Weise, in mittleren Breiten künstlich, etwa über den Flugverkehr. Ihre Effekte auf das Klima besser zu verstehen, ist Ziel der Kampagne CIRRUS-HL. Dabei untersucht die Gruppe von Emma Järvinen, wie sich die Strahlungseigenschaften bei arktischen Zirren und Kondensstreifen-Zirren unterscheiden. Ein eigens dafür am KIT entwickeltes Messinstrument war nun mit an Bord des Forschungsflugzeugs HALO. Die Eiskristalle der Wolken reflektieren das Sonnenlicht, aber auch Strahlung, die von der Erde kommt. Die Ergebnisse tragen dazu bei, Klimamodelle zu verbessern und eine klimafreundlichere Flugplanung zu entwickeln.

Perowskitbasierte Tandem-Solarzellen erreichen im Labor bereits Rekordwirkungsgrade von bis zu 29,5 Prozent. Die neuartigen Bauelement-Architekturen machen allerdings die Berechnung des Energieertrags komplexer. Ulrich W. Paetzold und sein Team haben daher die Software EYcalc (Energy Yield Calculator) entwickelt. Diese verwendet reale Einstrahldaten und berücksichtigt variable Parameter, wie Standort, Aufstellwinkel und die Position der Sonne, um den jährlichen Energieertrag mit stündlicher Auflösung zu ermitteln. Das Open-Source-Werkzeug eignet sich für alle herkömmlichen, vor allem aber auch für hochkomplexe Solarzellen-Architekturen.

Erforschung, Entwicklung und Herstellung neuer Materialien hängen entscheidend von schnellen und zugleich genauen Simulationsmethoden ab. Entscheidend hierfür ist eine hohe Präzision über verschiedene Zeit- und Größenskalen – vom Atom bis zum Werkstoff – bei gegrenztem Rechenaufwand. „Gegenüber herkömmlichen Methoden, die auf klassischen oder quantenmechanischen Rechnungen basieren, lässt sich mit speziell auf Materialsimulationen zugeschnittenen neuronalen Netzen ein deutlicher Geschwindigkeitsvorteil erreichen“, so Erstautor Pascal Friederich. Die Kombination von Maschinellem Lernen und Verfahren der Molekularen Mechanik könnten die Simulation künftig noch einmal deutlich beschleunigen.

Algorithmen des maschinellen Lernens finden wiederkehrende Muster in Daten und nutzen diese, um Vorhersagen zu treffen. Anstelle sich auf deren numerische Genauigkeit zu konzentrieren, fragt Pascal Friederich, welche Muster und Zusammenhänge maschinelle Lernmodelle tatsächlich erkennen. Gemeinsam mit deutschen und kanadischen Kollegen macht er diese als wissenschaftliche Hypothesen über eine Graphendarstellung zugänglich, die sich direkt auf reale physikalische Komponenten bezieht. Darüber hinaus entwickelt seine Forschungsgruppe AiMat im neu gegründeten deutsch-kanadischen Materials Acceleration Centre maschinelle Lernmethoden, um neue Materialien für klimaneutrale Energietechnologien zu simulieren.

Mit der Maßnahme "KIT Excellent Tenure" soll die Zahl der Tenure-Track-Professuren deutlich erhöht werden. Das KIT plant, jedes Jahr zehn Nachwuchsgruppenleiter auf höchstem internationalem Niveau einzustellen. Ulrich Paetzold ist der erste unabhängig rekrutierte Gruppenleiter, dem ein verlässlicher Karriereweg als Tenure-Track-Professor am KIT ermöglicht wurde. Parallel dazu leitet er weiterhin seine Helmholtz-Nachwuchsgruppe Advanced Optics and Materials for Next Generation Photovoltaics. Darüber hinaus ist er an mehreren BMWi-Projekten beteiligt und publiziert in renommierten Fachzeitschriften wie Nature Energy, ACS Applied Materials and Interfaces oder Advanced Funktional Materials.

In dem multidisziplinären Projekt arbeiten 10 europäische Partner zusammen, um die Elektro-Physiologie des menschlichen Herzens auf zellulärer Ebene abzubilden. Das neue Modellierungswerkzeug wird das Verständnis von Herz-Kreislauf-Erkrankungen wie Störungen des Herzrhythmus sowie den Einsatz von Simulationen zur Diagnose und Therapie verbessern. Die Helmholtz-Gruppe von Hartwig Anzt wird leistungsstarke numerische Lösungen entwickeln, angepasst an das spezifische Problem und das Simulationsökosystem. Die Gruppe von Axel Loewe leitet die Integration, Bereitstellung und Verbreitung der Software. Das 5,8-Millionen-Euro-Projekt wird gemeinsam von der europäischen Initiative zu High-Performance Computing und den nationalen Förderorganisationen finanziert.

In dieser Ausgabe von YIN Insight richtet sich das Hot Topic auf das 2. KIT-Weiterentwicklungsgesetz, das den Universitäts- und den Großforschungsbereich vereinheitlichen soll. Es hebt sowohl die Veränderungen als auch die Chancen für Juniorprofessoren am KIT hervor. Im Hinblick auf Gesetzesänderungen und die Pandemie schien es an der Zeit, einen Blick auf die "12-Jahres-Regel" zu werfen, die viele befristet beschäftigte Forscher betrifft. Die wissenschaftlichen Highlights reichen vom Hochdurchsatz-Wirkstoffscreening mit verbesserter Kernspinresonanz über die Wiederherstellung von Wäldern nach Bränden bis hin zu Exascale-Supercomputern. Die Daten und Fakten widmen sich der aktuellen YIN-Statistik.