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Versetzungen als Liniendefekte in kristallinen Festkörpern spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung der mechanischen und funktionellen Eigenschaften von Materialien. Allerdings sind sie in keramischen Oxiden aufgrund ihrer starken chemischen Bindungen nur schwer zu realisieren. In Advanced Energy Materials zeigen Xufei Fang und Kollegen, dass dichtgelagerte Versetzungen in keramischen Oxiden durch Ultrahochdruck-Sintern zu erzeugen sind. Die induzierten Schubspannungen übersteigen die kritische Festigkeit für die Versetzungskeimbildung, gefolgt von Versetzungsgleiten und starker Multiplikation. Die daraus resultierende hohe Versetzungsdichte unterdrückt in hohem Maße den Phononentransport und verringert so die Wärmeleitfähigkeit des Gitters. Dies führt zu einer rekordverdächtigen zT-Zahl von 1,69 in thermoelektrischen BiCuSeO-Keramiken.

YIN Day 2024 – Lunch mit Vizepräsidenten und den Leitenden der KIT Bereiche

Das Highlight in diesem Jahr war sicherlich der YIN Day Lunch mit dem Vizepräsidenten Forschung, dem Vizepräsidenten Lehre und akademische Angelegenheiten, der Vizepräsidentin Digitalisierung und Nachhaltigkeit und allen Bereichsleitenden. Für die YIN-Mitglieder bot sich ausreichend Gelegenheit, sich mit den höchsten Entscheidungstragenden des KIT informell auszutauschen. Der ehemalige Vizepräsident Forschung und YIN-Ehrenmitglied Professor em. Detlef Löhe eröffnete den Nachmittagsteil. Nach einer Focus Lecture zu Nachhaltigen Energiespeichern wurden die Erfolge der YIN Grant-Projekte vorgestellt und das YIN-Zertifikat "Führung in der Wissenschaft" verliehen. Bei einem Empfang für alle Teilnehmenden klang der festliche Tag aus.

Unter dem Motto "Auf einen Kaffee mit dem neuen Präsidenten" unterhielt sich Prof. Jan S. Hesthaven informell mit Mitarbeitenden und Studierenden. Auch YIN-Mitglieder waren anwesend, um ihn zu begrüßen und das Netzwerk vorzustellen. Zu den gemeinsamen Zielen gehören Chancengleichheit, gleiche Bedingungen für gleiche Arbeit und vor allem, dass das KIT es sich nicht leisten kann, junge Talente zu verlieren, indem es darauf besteht, alles so zu machen, wie es immer gemacht wurde. Wir müssen uns anpassen. Das KIT soll die beste Universität für die besten Leute mit den besten Ideen sein – dann wird Exzellenz selbstverständlich sein. Der direkte Austausch mit der KIT Community sei ihm sehr wichtig, so der neue Präsident

Umweltwissenschaftlerin Susanne Benz will künstliche Wärme unter Großstädten rückgewinnen: Warmwasserleitungen, Heizungskeller und U-Bahnschächte geben unaufhörlich Wärme in den Untergrund ab. In der Nähe von Tiefgaragen ist es mitunter um zehn Grad wärmer als in der weiteren Umgebung. Die akkumulierte Wärme ließe sich über das erwärmte Grundwasser nach oben fördern, um Wärmepumpen zu betreiben. Die Wärmepumpen entziehen dem Wasser seine Energie. Das Wasser kühlt ab und wird wieder in die Tiefe geleitet. "Solange, bis der Untergrund wieder die normale Temperatur erreicht, die außerhalb der Stadt herrscht", so Benz. Mit Unterstützung eines Freigeist-Fellowship wird sie diese Idee in den kommenden Jahren weiter erforschen.

Der YIN Award 2024 für den besten Förderantrag ging an Gözde Kabay und Nadja Henke. Sie werden zusammenarbeiten, um neue Behandlungsmöglichkeiten für entzündliche neurologische Erkrankungen zu entwickeln mit Schwerpunkt Multipler Sklerose. Der zweite Grant fördert Maryna Meretska, die sich mit YIN Alumnus André Butz zusammengetan hat. Ihr Ziel ist es, eine preiswerte, leichte Metalinsenkamera zur Erkennung von Treibhausgasen zu entwickeln, mit der CO₂-Konzentrationen in der Atmosphäre mit verbesserter Auflösung gemessen werden können. Der dritte von insgesamt elf Anträgen, die einen YIN Grant erhalten haben, geht an Susanne Benz und Somidh Saha. Sie werden das lokale Kühlungspotenzial von Stadtbäumen in Parks und Straßen untersuchen.

Im zweiten Jahr in Folge haben gleich drei YIN-Mitglieder einen KIT-Fakultätslehrpreis erhalten. Die KIT-Fakultäten für Geistes- und Sozialwissenschaften, für Mathematik und für Maschinenbau zeichnen jeweils ihre jungen Dozenten aus: Britta Klopsch, heute YIN-Alumna, macht ihre Studierenden mit vertieftem Lernen vertraut, das direkt in Schulprojekten angewendet wird. Sebastian Krumscheid entwickelt gemeinsam mit seinen Studendierenden Lösungen für moderne Themen der angewandten Mathematik. Und Alexander Stroh macht numerische Strömungsmechanik begreifbar, indem er seine Studendierenden numerische Probleme auf dem Hochleistungsrechner BW Uni-Cluster simulieren lässt.

Grundwasser bildet das größte ungefrorene Süßwasserreservoir der Welt und ist für das Leben auf der Erde von entscheidender Bedeutung. Mit dem Schwerpunkt auf diffusem Wärmetransport haben Forschende um Susanne Benz aktuelle und künftige Grundwassertemperaturen im globalen Maßstab simuliert. Das Ergebnis: Grundwasser in Tiefe des Grundwasserspiegels (ohne Permafrostgebiete) wird sich bis zum Jahr 2100 konservativ geschätzt um durchschnittlich 2,1 °C erwärmen. Die regionalen Erwärmungsmuster des oberflächennahen Grundwassers variieren jedoch erheblich. So werden bis 2100 voraussichtlich mehr als 77 Millionen Menschen in Gebieten leben, in denen das Grundwasser die international festgelegten Grenzwerte für die Trinkwassertemperatur überschreitet.

Die forschungsorientierten Lehre von Moritz Dörstelmann dreht sich um kreislauffähiges und ressourcenschonendes Bauen. Gemeinsam mit Studierenden verschiedener Fachrichtungen erstellt er digitale Modelle und experimentiert mit Testbauten aus natürlichen Materialien wie Lehm und Weiden, um die digitale Vorfertigung von Bauteilen prototypisch zu untersuchen. Mit seinem innovativen Konzept leistet er einen wertvollen Beitrag zur Transformation des Bauwesens als gesellschaftlich relevante Antwort die Klima-, Ressourcen- und Energiekrise. Dafür zeichnet ihn das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg mit dem mit 50 000 Euro dotierten Landeslehrpreis 2023 in der Kategorie Innovation/Transformation aus.

Mit dem Carl-Zerbe Preis würdigt die Deutsche Wissenschaftliche Gesellschaft für nachhaltige Energieträger, Mobilität und Kohlenstoffkreisläufe herausragende Arbeiten jüngerer Forschenden zur Verarbeitung und Anwendung von Kohlenstoffträgern. Moritz Wolf befasst sich mit der Entwicklung von Katalysatoren und Verfahren für die Speicherung erneuerbarer Energien in Form von chemischen Energieträgern und der Herstellung von Zwischenprodukten aus Synthesegas (CO₂/CO und H₂). "Wir möchten Technologien entwickeln, welche chemische Energie mit hoher Effizienz speichern können", sagt Moritz Wolf. "Dazu betreiben wir Grundlagenforschung zur heterogenen Katalyse sowie angewandte technische Forschung zu hochentwickelten Reaktoren und Systemen."

Unter der Schirmherrschaft des Präsidenten des KIT in Vertretung Oliver Kraft und des Präsidenten der Helmholtz-Gemeinschaft Otmar Wiestler feierte das Young Investigator Network sein 15-jähriges Bestehen. Gemeinsam mit Karin Jacobs, Vizepräsidentin der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), und Kathrin Valerius, ehemalige YIN-Sprecherin und Professorin am KIT, traten die Schirmherren auf das Podium, um über die Zukunft des wissenschaftlichen Nachwuchses in Deutschland zu diskutieren. Die YIN-Mitglieder nutzten die Gelegenheit zu netzwerken, ihre wissenschaftlichen Arbeiten vorzustellen und die YIN-Vorstandsvorsitzenden zu ehren, die das Netzwerk über all die Jahre lebendig gehalten haben. Vielen Dank!

Bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft begutachten die Fachkollegien alle eingereichten Anträge in einem dreistufigen Verfahren, bestehend aus Begutachtung, Bewertung und Entscheidung. Innerhalb der Naturwissenschaften kandidiert Frank Biedermann für das Fachgebiet Organische Molekularchemie - Synthese, Charakterisierung (3.11-02). Ihm sind faire und transparente Begutachtungsverfahren ein Anliegen. Axel Loewe macht sich für eine offene Wissenschaft und eine transparente Entwicklung des Bereichs Biomedizinische Systemtechnik (4.41-06) stark. Benno Meier bewirbt sich für das Fachkollegium Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie (3.31-01). Wähle bis zum 20. November, 14 Uhr.

An der Grenze zwischen Quantentechnologie und Nanowissenschaft entwickelt Philip Willke eine Architektur für Quanteninformationsverarbeitung und magnetische Sensorik auf atomarer Ebene. Dabei ermöglichen Spins als elementaren Einheiten von Magneten  die quantenmechanischen Eigenschaften einzelner Atome und Moleküle individuell zu vermessen. Sind Spins auf Nanoskala ausreichend isoliert, können sie ihre Quanten-Eigenschaften lange beibehalten - also lange in eine vorgegebene Richtung ausgerichtet bleiben. In ATOMQUANT (On-Surface Atomic Spins with Outstanding Quantum Coherence) möchte Willke, diese magnetischen Quantenzustände auf Oberflächen um mehrere Größenordnungen verbessern. Im YIN ist er der 20. ERC Preisträger.

Thomas Bläsius (r.), Moritz Dröstelmann (m.) und Team sowie Claudio Llosa Isenrich (r.) erhielten 2023 Fakultätslehrpreise. Damit würdigen die KIT-Fakultäten für Informatik, für Architektur und für Mathematik jeweils das Engagement und den Einsatz kreativer Lehrmethoden, mit denen es den Nachwuchsprofessoren gelingt, die Studierenden zu begeistern und mit der Komplexität ihres Themas vertraut zu machen. Thomas Bläsius bietet etwa aktive Awendungsübungen und online Fragerunden. Bei Moritz Dröstelmann experimentieren Studierende mit natürlichen Materialien und digitalen Bautechnologien. Claudio Llosa veranschaulicht, warum eine Tasse und ein Donut in der elementaren Geometrie dasselbe sind.

Hat die Corona-Zeit die körperliche Leistungsfähigkeit von Kindern beeinträchtigt? Der „Fitnessbarometer 2023“ der Kinderturnstiftung Baden-Württemberg deutet in diese Richtung. So sank der Fitness-Gesamtwert um 2,4 Prozent im Vergleich zum Zeitraum 2012-2019. Grundlage dieses Befunds sind Motorik-Tests mit Kindern im Alter von drei bis zehn Jahren. Claudia Niessner ist Co-Projektleiterin am Institut für Sport und Sportwissenschaft (IfSS) des KIT, wo die erhobenen Daten ausgewertet werden. In der Kategorie Ausdauer ist der größte Rückgang zu verzeichnen. Aber auch die Schnelligkeit hat nachgelassen sowie Koordination und Beweglichkeit. Nur die Kraft-Werte blieben gleich.

Wärmebrücken sind Veränderungen in der Gebäudehülle, die bis zu einem Drittel des Wärmeverlusts bei Gebäuden verursachen können. "In Nature Scientific Data stellen wir den ersten umfassenden drohnenbasierten thermografischen Luftbilddatensatz vor, der gleichzeitig Informationen zur Höhenkartierung enthält sowie eine Betrachtung auf Bezirksebene erlaubt", so Rebekka Volk. Die Daten stammen von sechs Drohnenflügen über Karlsruhe und umfassen 926 hochaufgelöste Bilder mit manuell erstellten Bildmarkierungen zu Wärmebrücken. Damit lassen sich Deep-Learning-Methoden für eine verbesserte automatische Wärmebrückenerkennung trainieren. Die Ergebnisse können bei der Planung und Priorisierung der Sanierung des Gebäudebestands helfen.

Carnot-Batterien können Gigawattstunden an Energie in Form von Wärme speichern. Dies gelingt beispielsweise über eine Wärmetransportflüssigkeit, die ein festes Speichermaterial durchströmt und dabei erwärmt oder abkühlt. Klarissa Niedermeier und ihr Team untersuchen nun die Wärmeübergangskorrelation beim Einsatz von flüssigen Metallen, welche sich durch ihre hohen Wärmeleitfähigkeit und niedrige Viskosität als ideale Wärmeüberträger auszeichnen. Die Ergebnisse werden in die Simulation des Speichersystems einfließen und so zu einer Effizienzbewertung und Optimierung der Carnot Batterie beitragen. Die DFG fördert das Projekt mit rund 300.000 Euro im Schwerpunktprogramm „Carnot-Batterien“.

Elf sehr gute Anträge für YIN Grants machten den Juroren die Entscheidung dieses Jahr besonders schwer. Die Grants bieten ein Startbudget, um innovative Forschungsideen zu testen und weiterzuentwickeln. Der YIN Award 2023 für den besten Antrag geht an Simon Fleischmann und Florian Strauss. Sie wollen Festkörperbatterien stabilisieren, indem sie kathodische Volumenänderungen minimieren. Bei dem YIN Grant für Charlotte Debus, Sebastian Lerch und Julian Quinting geht es um die Quantifizierung von Unsicherheiten, die Interpretierbarkeit und die Effizienz von datengesteuerten Wettermodellen. Alexander Stroh erhält einen YIN Grant für die Simulation patientenspezifischer präoperativer Analysen des Mitralklappenrückflusses.

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.