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.