Rhein-Main Universitäten

Menschen und Quantenteilchen haben gemeinsam, dass sie sich in einer Gruppe oft anders verhalten, als wenn sie allein sind. Bekanntestes physikalisches Beispiel für derartige Vielteilcheneffekte ist sicherlich die Supraleitung, wobei sich unter bestimmten Bedingungen Elektronen zu sogenannten Cooper-Paaren zusammenschließen, die sich ohne jeden Reibungsverlust durch ein supraleitendes Material bewegen und somit einen widerstandsfreien Stromtransport ermöglichen. Aber auch beim Auftreten magnetischer Wirbelstrukturen spielen Vielteilcheneffekte eine entscheidende Rolle.

Um diese "Massenpsychologie" von Quantenteilchen zu studieren, arbeiten Festkörperphysiker, Quantenoptiker und Materialwissenschaftler aus Frankfurt, Mainz und Kaiserslautern zusammen. Unter Federführung der Goethe-Universität Frankfurt haben sie bereits im Jahr 2007 den Sonderforschungsbereich/Transregio "Systeme kondensierter Materie mit variablen Vielteilchenwechselwirkungen" aufgesetzt. Und die erfolgreiche Zusammenarbeit wurde jetzt abermals honoriert: Mittlerweile hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) nach sehr positiver Evaluation der bisherigen Forschungsarbeiten beschlossen, den Forschungsverbund für weitere vier Jahre bis 2019 mit rund acht Millionen Euro zu fördern.

"In einem Forschungsverbund wie unserem SFB/Transregio ist die Kooperation aller Beteiligten extrem wichtig, weil auf diese Weise wissenschaftliche Mehrwerte geschaffen werden, die über die Ergebnisse einzelner, voneinander unabhängiger Projekte deutlich hinausgehen", betont Michael Lang, Professor am Physikalischen Institut der Goethe-Universität Frankfurt und Sprecher des SFB/TRR 49. "Die Kooperation beginnt, wenn wir miteinander diskutieren und dann die konkreten Fragestellungen ausformulieren." Daran schließt sich die Arbeitsaufteilung an, weil – abhängig von den Möglichkeiten der experimentell und theoretisch arbeitenden Gruppen – manche Aspekte besser in Frankfurt, andere eher in Mainz und wieder andere in Kaiserslautern bearbeitet werden können. Immer wieder treffen sich dann die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, stellen einander ihre Ergebnisse vor, vergleichen sie mit Modellrechnungen, entwerfen neue Experimente. Und werden am Ende durch gemeinsame Publikationen belohnt. "Wir haben schon Paper veröffentlicht, zu denen fünf verschiedene Teilprojekte des SFB beigetragen haben", erinnert sich Lang nicht ohne Stolz.

Dabei galt und gilt das Interesse der Wissenschaftler zunächst einmal ausgewählten Modellsystemen: ultrakalten Atomgasen im Feld sich kreuzender Laserstrahlen sowie dünnen magnetischen Filmen, in denen durch Licht magnetische Anregungen erzeugt werden. "Hieran wollten wir die Grundprinzipien verstehen", erläutert Lang. "Die Konzepte, die wir hier entwickelt haben, möchten wir jetzt auch auf komplexere Systeme anwenden." In den ersten beiden Förderperioden des Projekts (2007-2011, 2011-2015) widmeten sich die Forscher daher Fragen wie etwa: Wie lassen sich Vielteilchensysteme im Experiment erzeugen und in der Theorie simulieren? Was sind die relevanten Prozesse, die zur Bildung von Cooper-Paaren aus Elektronen führen? Und wie entsteht aus magnetischen Elementaranregungen ein magnetischer Wirbel?

Auf diese grundlegenden Erkenntnisse bauen die Wissenschaftler jetzt auf, wenn sie sich zum Beispiel fragen, wie sich Verunreinigungen des Materials auswirken, in dem sie die Vielteilchensysteme beobachten wollen. "Oder nehmen Sie die regelmäßige Struktur, in der die Atome dieses Materials angeordnet sind: Am absoluten Temperaturnullpunkt wäre so eine Gitterstruktur völlig starr. Nun finden unsere Versuche zwar bei ziemlich tiefen Temperaturen statt, aber eben nicht am absoluten Nullpunkt, und je weiter entfernt wir davon sind, also je höher die Versuchstemperatur, desto stärker wackeln die Atome auf ihren Gitterplätzen hin und her. Wir möchten jetzt klären, wie sich das Wackeln auf die Vielteilchensysteme auswirkt", beschreibt Lang die Fragen, die in der kürzlich bewilligten dritten Förderperiode des SFB/TRR beantwortet werden sollen.

Daran arbeiten natürlich nicht nur Lang und die anderen 20 leitenden Forscherinnen und Forscher, sondern auch die rund 25 Promovierenden und neun Postdoktoranden, die an den Universitäten Frankfurt, Mainz und Kaiserslautern sowie am Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung betreut werden. Dabei kommt der Doktorandenausbildung im SFB/TRR 49 durch das integrierte Graduiertenkolleg ein besonderer Stellenwert zu. Aber in einem wichtigen Punkt unterscheidet sie sich auch von der üblichen Graduiertenausbildung: Die Kollegiatinnen und Kollegiaten organisieren selbstständig Seminare und Workshops, legen deren Inhalte fest, laden Vortragende ein – gestalten das Graduiertenkolleg des SFB/TRR also aktiv mit. "Sie legen ihre Konsumentenrolle ein Stück weit ab und übernehmen Verantwortung. Außerdem lernen sie so aus eigener Erfahrung, wie der Wissenschaftsbetrieb organisiert ist, und sie vernetzen sich darin", berichtet Lang. "Die Kooperation der Graduierten untereinander und die Kooperation innerhalb des gesamten SFB ergänzen sich sehr gut und der wissenschaftliche Nachwuchs profitiert davon ganz enorm – sowohl inhaltlich als auch mit Blick auf die eigene Karriere."

Im SFB/TRR 49 geht es vorwiegend um Grundlagenforschung, so etwa bei der Arbeit von Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. In seiner Forschung simuliert der Professor für Quantenoptik gewissermaßen die Eigenschaften eines realen Festkörpers. Er untersucht künstliche Festkörperkristalle, die aus einigen hundert Ytterbium-Ionen und Rubidium Atomen bestehen und in einer neuartigen Kombination aus Ionen- und Atomfalle gehalten und zur Wechselwirkung gebracht werden. Diese Experimente sollen zu einem besseren Verständnis für das Verhalten eines realen Festkörpers beitragen, der aus einer sehr viel größeren Anzahl von Atomen und Elektronen besteht. "Dabei ist die Zusammenarbeit zwischen uns als experimentell arbeitender Gruppe und den Festkörpertheoretikern aus Frankfurt natürlich extrem wichtig. Die beiden Disziplinen bringen sich gegenseitig weiter", sagt Schmidt-Kaler. "Es ist ungeheuer bereichernd, mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus anderen Disziplinen zusammenzuarbeiten. Gerade die Festkörperphysiker sehen unser Thema aus einem völlig anderen Blickwinkel. Sie schauen sich die Festkörper mit ihren ungeheuer vielen Teilchen an, ich gehe vom einzelnen Atom aus." Gemeinsam ist allen, dass sie wissen wollen, was auf der atomaren Ebene passiert, wie die Teilchen interagieren und neue Zustände der Materie formen.

"Sie kennen vielleicht die Geschichte von dem Kalifen und den Reiskörnern?", fragt Schmidt-Kaler. Einst schenkte ein Untertan seinem Herrscher ein kostbares Schachbrett. Der war begeistert und gewährte seinem Höfling einen Wunsch. Der Wunsch des Höflings klang bescheiden. Der Kalif möge das Schachbrett mit Reis auffüllen: Ein Korn sollte aufs erste Feld kommen, dann auf jedes weitere Feld jeweils die doppelte Anzahl Körner: 1, 2, 4, 8, 16 … "Die Reisproduktion der Welt reicht nicht aus, um so einen Wunsch zu erfüllen", sagt Schmidt-Kaler, "und wir sind in einer ähnlichen Situation: So unüberschaubar wie diese Menge Reis wird ganz schnell auch unser System wechselwirkender Teilchen." Um die Wechselwirkungen in Festkörpern zu untersuchen, fangen die Forscher beim einzelnen Ion an. Jedes stellt eine winzige Magnetnadel dar. "Von da aus wird Stück für Stück hochgebaut. Wir beobachten die Wechselwirkung von zwei Teilchen, dann nehmen wir ein drittes hinzu. So bekommen wir schnell immer mehr Möglichkeiten, das wächst exponentiell. So wie bei der Geschichte von den Reiskörnern: Bei 30 Ionen gibt es schon keinen Computer mehr, der das ausrechnen kann. Das kollektive Phänomen in einem Festkörper ist unglaublich reich an Möglichkeiten. Wir arbeiten an der Grenze. Und schieben sie voran, soweit es irgendwie möglich ist."

Auch in der dritten Förderperiode möchten die Beteiligten des SFB/TRR grundlegende Konzepte entwickeln und ausbauen, um so zu einem besseren Verständnis von Vielteilchensystemen zu kommen. Das schließt Beiträge zu anwendungsbezogenen Themen nicht aus. So wurde hier das Konzept des sogenannten "magnetischen Kühlens" weiterentwickelt, das darauf beruht, dass sich manche magnetischen Materialien abkühlen lassen, wenn ein Magnetfeld verändert wird. Magnetisch gekühlte Röntgendetektoren sind für die Weltraumforschung von großer Bedeutung und möglicherweise wird das magnetische Kühlen eines Tages sogar beim Betrieb eines Haushaltskühlschranks eine umweltfreundliche Alternative zur herkömmlichen Technik.

Ein weiteres Beispiel ist das Phänomen, dass manche Materialien unter geeigneten Bedingungen sowohl ferromagnetisch als auch ferroelektrisch sind. "Insbesondere dann, wenn beide Effekte wie bei unseren Materialien bei der gleichen Temperatur auftreten, ist das ein ganz starkes Indiz dafür, dass die beiden Eigenschaften unmittelbar zusammenhängen", erläutert Prof. Dr. Michael Lang. Dieser Effekt kann gezielt in der Datenspeichertechnik eingesetzt werden, um hier neue Perspektiven zu eröffnen.

Im Sonderforschungsbereich/Transregio 49 kommen Forscherinnen und Forscher zusammen, die ganz unterschiedlich denken. "Wir mussten erst einmal eine gemeinsame Sprache finden“, erzählt Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler. "Aber die mittlerweile seit vielen Jahren hervorragend funktionierende Zusammenarbeit im Verbund, das Hand-in-Hand-Gehen von Theorien und Modellen, ist extrem stimulierend. Dabei kommt es oft zu Überraschungen. Wir betreten schließlich ständig Neuland. Das ist echte Grundlagenforschung."

Krisen hat die Europäische Union immer mal wieder erlebt. "Aber jetzt bin ich das erste Mal richtig beunruhigt", meint Prof. Dr. Michèle Knodt vom Institut für Politikwissenschaft der TU Darmstadt. "Die Finanzkrise war schon schwierig – und mit der Flüchtlingskrise ist es nicht einfacher geworden, den europäischen Gedanken zu bewahren. Derzeit stehen vor allem die Osteuropäer gegen die West- und die Nordeuropäer." Bei der Aufnahme von Flüchtlingen, aber auch beim Erarbeiten von Lösungsansätzen in anderen Politikfeldern blocke der Osten ab. 

Knodt greift Polen als Beispiel heraus. "Die EU hat immer mit Konsens gearbeitet. Solidarität spielt seit dem Lissabonner Vertrag 2009 eine große Rolle. Vor allem Polen hatte diese in der Energiepolitik von den anderen EU-Staaten eingefordert und laut nach Energiesicherheit gerufen. Es ist schließlich in hohem Maße von russischem Gas abhängig. Auf diesem Gebiet forderte das Land die EU immer auf: Ihr müsst solidarisch sein." Bei der Flüchtlingspolitik jedoch sei plötzlich überhaupt nicht mehr von Solidarität die Rede. Knodt meint angesichts solcher Entwicklungen: "Wir brauchen ein neues Narrativ aus der Mitte der EU heraus. Das ist aber im Moment nicht in Sicht."

Im Dezember 2015 schlossen sich die Goethe-Universität Frankfurt am Main, die Johannes Gutenberg-Universität Mainz und die TU Darmstadt zur strategischen Allianz der Rhein-Main-Universitäten zusammen. "Genau am selben Tag haben wir auch die Gründung unseres Jean Monnet Centre of Excellence gefeiert", erinnert sich Knodt. 

Sie hatte sich gemeinsam mit Prof. Dr. Arne Niemann vom Institut für Politikwissenschaft der JGU bei der Europäischen Kommission um ein Jean Monnet Centre of Excellence "EU in Global Dialogue" beworben. "Diese Bewerbungen sind hoch kompetitiv, die Konkurrenz ist stark." Doch offensichtlich konnte das Konzept der beiden überzeugen. Beide kennen sich bereits länger und beide sind Inhaber eines EU-geförderten Jean Monnet Lehrstuhls für europäische Integration. Zudem haben sie an ihren jeweiligen Universitäten unterschiedliche Forschungsschwerpunkte zur EU-Außenpolitik entwickelt, die sich nun in dem neu geschaffenen Exzellenzzentrum ergänzen.

"Mit dem Jean Monnet Centre knüpfen wir an Themen an, zu denen wir bereits arbeiten. Es gibt uns die Möglichkeit, Dinge zu vertiefen, aber auch neue Richtungen einzuschlagen und neue Aspekte einzubeziehen." CEDI setzt auf fächerübergreifende Lehre und Forschung. Außerdem will es Öffentlichkeit herstellen und Interesse wecken für Fragen rund um die EU.

Eines der wichtigen Themen, mit denen sich die TU Darmstadt über die Disziplinen hinweg beschäftigt, ist die Energiepolitik der EU: Ingenieurinnen und Ingenieure des TU Darmstadt Energy Center forschen hier Seite an Seite mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern verschiedenster Fächer. Das überzeugte im Jahr 2015 auch das Bundesministerium für Bildung und Forschung: Es band die TU Darmstadt in "Kopernikus" ein, die bisher größte Forschungsinitiative zur Energiewende. An drei der vier Kopernikus-Projekte ist die TU Darmstadt mittlerweile beteiligt. Knodt selbst ist Direktoriumsmitglied und Mitantragstellerin eines Konsortiums, das die Energiewende als einen gesamtgesellschaftlichen Veränderungsprozess unter die Lupe nimmt.

Solche und ähnliche Initiativen werden nun mit den Forschungen des Zentrums verknüpft. Knodt skizziert CEDI als einen wichtigen Faktor in einem Netz von Projekten, zugleich aber auch als wichtigen Impulsgeber mit vielfältigen Aktivitäten. So beschäftigte sich ein Workshop mit der EU in der Krise. "Es ging darum, was die Krise institutionell bewirkt. Dass die Staatschefs in solchen Zeiten vorpreschen, ist nicht unüblich. Aber mittlerweile ist das zu einem dauerhaften Zustand geworden." Die EU-Organe würden dabei umschifft oder vor vollendete Tatsachen gestellt. "Was dabei herauskommt, ist nicht unbedingt besser als das, was die EU leisten könnte, und untergräbt zudem europäisches Regieren."

Ihr Mainzer Kollege Prof. Dr. Arne Niemann nennt ein Beispiel aus der jüngeren Geschichte, um zu zeigen, wie wirksam die EU tatsächlich agiert: Als sich Serbien und das Kosovo im Jahr 2013 nach ihrem jahrzehntelangen Konflikt endlich auf ein Abkommen einigten, war das ein Verdienst der Europäischen Union. Sie hatte vermittelt zwischen den beiden zerstrittenen Parteien. "Die EU war als Mediator im Kosovo-Konflikt durchaus erfolgreich", betont Niemann. "Sie ist in den letzten Jahren überhaupt viel aktiver geworden in diesem Bereich und es herrscht eine recht große Nachfrage, die EU bei der Lösung von Konflikten mit ins Boot zu holen."

CEDI hatte bereits kurz nach seiner Gründung zu einem Workshop eingeladen, der sich mit der EU als Mediator in internationalen Friedensverhandlungen beschäftigte. "Diese neue Rolle ist noch nicht ausreichend erforscht", erklärt Niemann. Das ein oder andere kann er aber schon sagen: "Die EU wird häufig nicht als so problematisch angesehen wie etwa die USA. Sie ist einfach noch nicht so oft angeeckt in der Weltpolitik und ihr werden nicht so viele Eigeninteressen unterstellt wie den Vereinigten Staaten. Die EU ist ein sehr interessanter Akteur auf der Weltbühne und in einigen Politikbereichen, wie der Sicherheitspolitik, auch ein relativ neuer Akteur."

Die Gründung des CEDI fällt in eine Zeit, in der sich die EU vielen Herausforderungen gegenüber sieht. Die Europäische Union macht Schlagzeilen – und nicht immer sind die positiv. Wie Knodt sieht auch Niemann besorgt auf die Flüchtlingskrise: Sie könnte zur Nagelprobe für den Zusammenhalt der europäischen Staaten werden.

"Wir haben auch einen Workshop zu diesem Thema veranstaltet", erzählt Niemann. Zwei Tage lang wurden verschiedenste Facetten der EU-Flüchtlingspolitik beleuchtet. "Unter anderem ging es um die Entwicklung der rechtspopulistischen Parteien im Zuge der Flüchtlingskrise. Schließlich haben wir nicht nur die AfD in Deutschland, sondern auch den Front National in Frankreich oder die UKIP in Großbritannien. In Polen und Ungarn sitzen sogar zwei rechtspopulistische Parteien mit in der Regierung."

All diese Veranstaltungen zeigen: Das frisch gegründete CEDI ist höchst aktiv. Die Bandbreite seiner Forschung ist groß. "Die TU Darmstadt und die JGU ergänzen sich hier hervorragend", lobt Niemann. "Es hat sich eine ganz eigene Teamdynamik entwickelt. Bisher habe ich den Eindruck, dass die Zusammenarbeit neben vielen neuen Erkenntnissen auch jede Menge Spaß bringt."

CEDI wird vorerst für drei Jahre von der Europäischen Kommission gefördert. In diesen drei Jahren wird unter anderem auch das Lehrangebot zur europäischen Integration an den beiden Universitäten ausgebaut. "Bestehende Projekte, deren Zukunft unsicher war, können wir verstetigen", sagt Niemann. Und nach den drei Jahren? Wer weiß. "Die gute Bewertung unseres Antrags hat ja gezeigt, wie viel Potenzial wir haben. Vielleicht gibt es Chancen auf eine weitere Unterstützung."

Das Projekt "Humanist Computer Interaction auf dem Prüfstand" versteht sich als Beitrag zu einer Optimierung der Humanist Computer Interaction, von der geisteswissenschaftliche Arbeit in digitalen Forschungsumgebungen profitiert. Ziel des Projekts ist die Untersuchung und Bewertung geisteswissenschaftlicher Arbeitsweisen in virtuellen Forschungsumgebungen. Dazu werden 19 internationale Forschungsgruppen an die digitalen Werkzeuge und Inhalte herangeführt und ihre konkreten Nutzungspraktiken und Forschungsprozesse innerhalb der virtuellen Forschungsumge­bung untersucht. Die Projektarchitektur beinhaltet drei eng miteinander verzahnte Teilbereiche, die jeweils durch eine der beteiligten Hochschulen bearbeitet werden.

Den informationstechnischen Teilbereich bildet die virtuelle Forschungsumgebung TextGrid. Diese unter Beteiligung der TU Darmstadt entwickelte Software vereint verschiedene Werkzeuge zur digitalen Textanalyse mit einer interaktiven Plattform zur gemeinsamen Bearbeitung von geisteswissenschaftlichen Forschungsprojekten. Betreut wird diese digitale Forschungsinfrastruktur vom Fachgebiet Germanistik – Computerphilologie und Mediävistik der TU Darmstadt um Prof. Dr. Andrea Rapp in Kooperation mit der Digitalen Akademie der Akademie der Wissenschaften und der Literatur | Mainz um Prof. Torsten Schrade.

Der inhaltliche Teilbereich besteht in Forschungen zu den Variae des spätantiken Politikers Cassiodor und zur Gesellschaft des ostgotischen Italien. Verantwortlich für diese Forschungen und den historischen Dateninput ist der Arbeitsbereich Alte Geschichte der Johannes Gutenberg-Universität Mainz unter Leitung von Prof. Dr. Marietta Horster sowie unterstützend das Forschungsteam Computational Historical Semantics der Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt um Prof. Dr. Bernhard Jussen.

Der analytische Teilbereich zur Validierung der digitalen geisteswissenschaftlichen Arbeitsprozesse besteht aus einem Methodenrepertoire aus dem Bereich der Nutzerforschung. Die Analyse der Humanist Computer Interaction in Form von Nutzerbeobachtung, Befragung und Eye-Tracking wird durch die Professur für Wirtschaftsinformatik und Medienmanagement am Fachbereich Wirtschaft der Hochschule Mainz von Prof. Dr. Sven Pagel durchgeführt.

Grundlagen für die Entwicklung neuer Therapien gegen Multiple Sklerose (MS) zu schaffen und existierende Therapiekonzepte besser zu verstehen, das sind die zentralen Ziele des SFB/Transregio 128 "Initiierungs-/Effektor- und Regulationsmechanismen bei Multipler Sklerose – von einem neuen Verständnis der Pathogenese zur Therapie". Darüber hinaus wollen die Forscher herausfinden, wie Multiple Sklerose entsteht. Das Verbundprojekt wird von der Direktorin der Klinik und Poliklinik für Neurologie der Universitätsmedizin Mainz, Prof. Dr. Frauke Zipp, als Sprecherin koordiniert.

Multiple Sklerose ist in der westlichen Welt die häufigste chronisch-entzündliche Erkrankung des Zentralnervensystems. Allein in Deutschland sind mehr als 120.000 Menschen davon betroffen. "Viele Fragen etwa zur Entstehung dieser Autoimmunerkrankung sind nach wie vor ungeklärt. Der Schlüssel zu wirkungsvolleren Therapien liegt in der Grundlagenforschung und genau da setzt der innovative und interdisziplinäre Ansatz des SFB/TR 128 unter Sprecherschaft der Universitätsmedizin Mainz an", so der Wissenschaftliche Vorstand der Universitätsmedizin Mainz, Prof. Dr. Dr. Reinhard Urban. "Die Neustrukturierung unserer Forschungsschwerpunkte an der Universitätsmedizin Mainz trägt jetzt Früchte."

"Das hohe Potenzial des SFB/Transregio 128 liegt darin begründet, dass wir exzellente Forscher benachbarter Wissenschaftsdisziplinen mit ins Boot holen. Dadurch betritt dieser Verbund neue Wege, die über die klassische Neuroimmunologie hinausgehen", so Zipp. Ein Schlüsselaspekt ist laut der Neurologin zudem, dass experimentelle Forschung und patientenorientierte klinische Forschung eng aufeinander abgestimmt sein werden.

Prof. Dr. Frauke Zipp wechselte erst Ende 2009 von der Charité, Berlin, nach Mainz und sieht in der Bewilligung dieses Sonderforschungsbereichs einen wichtigen Schritt auf dem Weg, das Rhine-Main Neuroscience Network gemeinsam mit den Partnern in Münster und München zu einem internationalen Zentrum der MS-Forschung zu machen.

Im neuen SFB 1193 soll erforscht werden, welche Vorgänge im Gehirn Menschen dazu befähigen, sich gegen die schädlichen Auswirkungen von Stress und belastenden Lebensereignissen zu schützen. Konkret wollen die beteiligten Wissenschaftler die Mechanismen der Resilienz – eine Art "seelische Widerstandskraft" – ergründen. Die Federführung des SFB liegt bei Prof. Dr. Beat Lutz, dem Direktor des Instituts für Physiologische Chemie an der Universitätsmedizin Mainz, mit den Co-Sprechern Prof. Dr. Raffael Kalisch vom Neuroimaging-Center der Universitätsmedizin Mainz und Prof. Dr. Michèle Wessa vom Psychologischen Institut der JGU. Zudem gab die DFG bekannt, dass der im Jahr 2012 unter Koordination der Universitätsmedizin Mainz etablierte SFB/Transregio 128 "Initiierungs-/Effektor- und Regulationsmechanismen bei Multipler Sklerose – von einem neuen Verständnis der Pathogenese zur Therapie" für weitere vier Jahre verlängert wird.

"Die Förderung der Resilienz-Forschung am Standort Mainz mit einem DFG-Sonderforschungsbereich bestätigt die wissenschaftliche Leistung unserer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf diesem Gebiet", betont Univ.-Prof. Dr. Georg Krausch, Präsident der Johannes Gutenberg-Universität Mainz. "Darüber hinaus ist dieser neue SFB, an dem auch die Goethe-Universität Frankfurt beteiligt ist, ein Beispiel der vielfältigen Kooperationen der Rhein-Main-Universitäten in Wissenschaft und Forschung."

"Vor nicht ganz zwei Jahren wurde das Deutsche Resilienz-Zentrum Mainz als europaweit erstes Zentrum zur Resilienz-Forschung an der Universitätsmedizin Mainz aus der Taufe gehoben. Vor diesem Hintergrund ist es ein wichtiges Signal für den Wissenschaftsstandort Mainz, dass die DFG jetzt diesen SFB einrichtet, in dem das immense Forschungspotenzial der Universitäten im Rhein-Main-Gebiet und weiterer exzellenter Forschungseinrichtungen gebündelt ist", betont der Wissenschaftliche Vorstand der Universitätsmedizin Mainz, Univ.-Prof. Dr. Ulrich Förstermann. "Des Weiteren freut es mich außerordentlich, dass der vor vier Jahren gestartete SFB mit dem Fokus auf Multiple Sklerose-Forschung unter Federführung der Direktorin der Klinik für Neurologie, Prof. Dr. Frauke Zipp, in die nächste Förderperiode geht und die erfolgreiche Klinische Forschung fortgesetzt werden kann", so Förstermann.

Beide Sonderforschungsbereiche, sowohl der neue SFB 1193 als auch der im Jahr 2012 eingerichtete SFB/TRR 128, sind in das Forschungszentrum Translationale Neurowissenschaften (FTN) der JGU und das Rhine-Main Neuroscience Network (rmn²) eingebettet, zu dem neben der JGU auch die Goethe-Universität Frankfurt am Main zählt. Das Netzwerk rmn² koordiniert die zentralen Forschungsprojekte zur Aufklärung und Therapie von Hirnerkrankungen im Rhein-Main-Gebiet.

Das DRZ ist eine zentrale wissenschaftliche Einrichtung der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und der Universitätsmedizin Mainz, die sich die Erforschung der Resilienz, also der "seelischen Widerstandskraft", zum Ziel gesetzt hat. In der fachübergreifenden Einrichtung arbeiten Neurowissenschaftler, Mediziner, Psychologen und Sozialwissenschaftler zusammen. Die zentralen Anliegen des DRZ sind es, Resilienzmechanismen neurowissenschaftlich und human-psychologisch zu verstehen, darauf aufbauend mit Präventionsstrategien vorzubeugen und darauf hinzuwirken, Lebensumfelder derart zu verändern, dass Resilienz gestärkt wird. Mit diesem Ansatz soll der Paradigmenwechsel von einer krankheitsorientierten Forschung zu einer gesundheitsorientierten Forschung, also der Erforschung von Faktoren und Mechanismen, die zum Erhalt der psychischen Gesundheit beitragen, vorangetrieben werden.

Mittels Laserspektroskopie konnten die Forscher einzelne Atome des Elements untersuchen und verschiedene atomare Anregungszustände nachweisen. Das Experiment wurde unter Leitung der Abteilung Superschwere Elemente Physik am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung von einer internationalen Kollaboration durchgeführt, an der Prof. Dr. Thomas Walther vom Institut für Angewandte Physik der TU Darmstadt mit seinen Doktoranden Felix Lautenschläger und Premaditya Chhetri beteiligt war.

Die Experimente wurden gemeinsam von Wissenschaftlern des GSI Helmholtzzentrums für Schwerionenforschung, der Johannes Gutenberg-Universität Mainz, des Helmholtz-Instituts Mainz, der TU Darmstadt, der KU Leuven (Belgien), der Universität Liverpool (Vereinigtes Königreich) und des TRIUMF (Vancouver, Kanada) durchgeführt. Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher im Fachmagazin Nature.

Rätsel um die innere Struktur

Von den meisten der heute 118 bekannten Elemente sind die Energiespektren bekannt. Die Elemente jenseits von Fermium, die sogenannten Transfermium-Elemente mit mehr als 100 Protonen im Kern und der entsprechend gleichen Zahl von Elektronen in der Elektronenhülle, entziehen sich jedoch bisher den experimentellen Untersuchen. Doch gerade die relativistischen Effekte, ausgelöst durch die hohen Geschwindigkeiten, mit denen sich die Elektronen um Atomkerne mit einer derart hohen Protonenzahl bewegen, und auch die Wechselwirkungen zwischen den zahlreichen Elektronen bestimmen maßgeblich die innere Struktur der Atome. Wie alle Transfermium-Elemente ist auch Nobelium experimentell nur sehr schwer zugänglich. Es kommt in der Natur nicht vor und lässt sich nur künstlich und in geringen Mengen erzeugen. Daher sind seine Eigenschaften und die innere Struktur weitestgehend unbekannt.

Atomare Anregungszustände nachgewiesen

Mit einer hochempfindlichen Methode, die am Institut für Physik und dem Institut für Kernphysik der Universität Mainz in der Arbeitsgruppe von Professor Hartmut Backe und Dr. Werner Lauth seit Anfang der 90er Jahre entwickelt wurde, ist es den Forschern nun erstmals gelungen, atomare Anregungszustände in Nobelium nachzuweisen und zu charakterisieren.

"An der GSI-Beschleunigeranlage haben wir durch den Beschuss dünner Blei-Folien mit Kalzium-Projektilen die Atomkerne der Reaktionspartner zu dem Isotop Nobelium-254 verschmolzen. Am bei GSI betriebenen SHIP-Separator haben wir anschließend die Nobelium-Isotope isoliert und so eine Bestrahlung mit Laserlicht ermöglicht", beschreibt Professor Michael Block, Leiter der Abteilung Superschwere Elemente Physik am GSI Helmholtzzentrum und der Sektion Superschwere Elemente Physik am HIM, das Experiment.

Die Energieabstände in der Elektronenhülle ermittelt das Team durch Variation der Energie des eingestrahlten Laserlichts. Passt der Abstand, wird das Laserlicht absorbiert und ein Elektron aus dem Atom entfernt, wodurch das Atom zum positiv geladenen Ion wird. Dieses Ion wird anschließend anhand seines radioaktiven Zerfalls eindeutig nachgewiesen. "Der Experimentaufbau ist so sensitiv, dass für die Durchführung unserer Untersuchungen eine Erzeugungsrate von wenigen Atomen pro Sekunde ausreichend ist. Dabei existieren die radioaktiven Nobelium-Atome gerade mal 50 Sekunden, bevor sie wieder zerfallen", sagt Dr. Mustapha Laatiaoui, GSI-Wissenschaftler und Leiter des Experiments.

Untersuchungen ausgedehnt

Nachdem der erste atomare Übergang in Nobelium-254 bestimmt wurde, konnten die Untersuchungen sogar auf das kurzlebigere Isotop Nobelium-252 ausgedehnt werden, das nur mit einer fünffach geringeren Produktionsrate als Nobelium-254 erzeugt werden kann. Die Messung der Energieverschiebung eines atomaren Übergangs zwischen verschiedenen Isotopen liefert Informationen über die Größe und Form der jeweiligen Atomkerne.

Mit dem Experiment ist es erstmals gelungen, Untersuchungen der atomaren Struktur eines Transfermium-Elements am Beispiel Nobelium (Z= 102) mittels Laserspektroskopie durchzuführen. Die extrem hohe Präzision, mit der die Energien der atomaren Zustände in Laser-Experimenten gemessen werden können, liefert die Basis für weitergehende theoretische Arbeiten und eröffnet neue Perspektiven für zukünftige Präzisionsexperimente zur Messungen atomarer und nuklearer Eigenschaften instabiler Atomkerne im Bereich der superschweren Elemente.

Eine in der Physik neue und noch wenig erforschte Klasse von Teilchenbeschleunigern ermöglicht die weitgehende Rückgewinnung der Energie, die zur Beschleunigung des Teilchenstrahls aufgewendet wird. Dazu wird der beschleunigte Strahl in den supraleitenden, elektromagnetischen Beschleunigungsresonatoren wieder auf niedrige Injektionsenergien abgebremst. Die so funktionierenden Teilchenbeschleuniger heißen Energy Recovery Linacs (ERLs). Das neue Graduiertenkolleg „Accelerator Science and Technology for Energy Recovery Linacs” wird Quellen, Kontrollsysteme und Strahldynamik solcher ERLs erforschen.

Die Ausgangslage dafür sei „außergewöhnlich günstig“, da sowohl an der TU Darmstadt als auch an der Universität Mainz zurzeit Teilchenbeschleuniger dieser neuen Art entstehen, erläutert der Sprecher des Graduiertenkollegs, Professor Dr. Norbert Pietralla. So wird an der TU Darmstadt der supraleitende, rezirkulierende Elektronenlinearbeschleuniger „S-DALINAC“ gegenwärtig zum ersten Beschleuniger in Deutschland, der im Schema eines ERL betrieben werden kann, umgebaut. In Mainz ist im Rahmen des Exzellenzclusters „PRISMA“ ein erster an einer deutschen Universität betriebener Hochstrom-ERL mit dem Akronym „MESA“ im Bau.

Das Forschungs- und Ausbildungskonzept des Kollegs greift diese besondere Situation auf und bringt Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler aus Bereichen der Beschleunigerphysik und der Elektrotechnik zusammen, um in miteinander verzahnten Promotionsprojekten zum Thema der Physik und Technik von ERLs zu forschen. Deshalb sind auch vier Professoren aus dem Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Darmstadt eingebunden.

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Sprecher des Graduiertenkollegs

Sprecher: Prof. Dr. Norbert Pietralla (TU Darmstadt, Kernphysik);

Ko-Sprecher: Prof. Dr. Kurt Aulenbacher (JGU Mainz, Kernphysik) und Prof. Dr.-Ing. Thomas Weiland (TU Darmstadt, Theorie Elektromagnetischer Felder)

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Das Projekt wird in diesem Jahr erstmalig interuniversitär in Kooperation mit der Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität Mainz durchgeführt. Universitätsprofessor Dr. Oliver Muensterer, Direktor der Klinik und Poliklinik für Kinderchirurgie, und Universitätsprofessorin Dr. med. Susann Schweiger, Leiterin des Instituts für Humangenetik, lancierten das Projekt erfolgreich in den eigenen Reihen.

Zwanzig Studierende aus Mainz nehmen an der Projektwoche in Darmstadt als fachliche Experten teil. Sie unterstützen die knapp 330 Maschinenbau-Erstsemester und die etwa 30 Soziologie-Studierenden aus dem dritten Semester der TU.

Über die Herausforderungen der diesjährigen Projektwoche spricht der Koordinator Professor Dr.-Ing. Samuel Schabel, Fachbereich Maschinenbau:

TU Darmstadt: Warum ist es wichtig, dass Studierende zu Beginn des Studiums so komplexe Aufgaben bearbeiten?

Prof. Samuel Schabel: Ein wesentlicher Punkt unserer Projektwoche ist das Arbeiten in einem Team. Die Studierenden sollen gleich zu Beginn des Studiums praktisch erfahren, welche Aspekte und Herausforderungen das Arbeiten im Team mit sich bringt, das später im beruflichen Alltag vermutlich Normalität sein wird.

Für ein Team muss die Aufgabe natürlich komplex sein, um Erfahrungsmöglichkeiten zu bieten, wie man komplexe Fragestellungen unter Zeitdruck systematisch und erfolgreich bearbeiten kann. Das wird nicht gleich perfekt klappen, aber für die Studierenden sind solche Erfahrungen und das Kennenlernen von entsprechenden methodischen Ansätzen sehr wertvoll. Und wir möchten die Studierenden dazu motivieren, sich engagiert mit den Grundlagenfächern im Bachelor-Studium zu beschäftigen. Die Aufgabe wird zeigen, dass ingenieurwissenschaftliche Grundlagen helfen, solche technischen Probleme zu lösen.

Was ist das Faszinierende und Herausfordernde am Thema dieses Jahres?

In diesem Jahr arbeiten wir erstmals mit Studierenden der Unimedizin Mainz zusammen. Das heißt, wir haben Studierende aus drei Fachbereichen in den Teams – Maschinenbau, Soziologie, Medizin –, wobei die Studierenden aus der Soziologie und der Medizin aus höheren Semestern kommen.

Da wird es spannend, wie die Team-Mitglieder mit unterschiedlichem fachlichen Hintergrund, aber auch mit unterschiedlicher Studienerfahrung sich organisieren. Das Thema ist so gewählt, dass man mit einer guten Lösung vielen Menschen medizinisch helfen kann, die sonst keinen Zugang zu solchen Techniken haben. Die Herausforderung wird sein, schon existierende Lösungen an die neuen Rahmenbedingungen anzupassen und die vielfältigen Sicherheits-Anforderungen an ein medizinisches Gerät zu erfüllen.

In der Projektwoche geht es auch um Interdisziplinarität – was können die Studierenden der beteiligten Fachbereiche zum Thema beitragen oder voneinander lernen?

Die Breite der Wissenschaft erfordert Disziplinarität. Man muss sich spezialisieren, um in seiner Disziplin die Spitze des Wissens und Könnens zu erreichen. Doch kaum eine Fragestellung kann heute mit einer einzigen Disziplin gelöst werden. Deshalb möchten wir die Studierenden schon zu Beginn des Studiums, der disziplinären Bildung und Ausbildung, mit interdisziplinären Fragestellungen und mit dem praktischen Umgang damit, zum Beispiel in einem Team, konfrontieren.

So lässt sich erfahren, wie die Stärken des Einzelnen genutzt werden können, aber auch, wie das Ziel des Teams im Vordergrund stehen muss, um gut zu sein. In der Konstellation des Projektkurses – und wir denken, besonders in einer solchen sehr interdisziplinären Konstellation wie bei diesem emb – lässt sich sehr gut erkennen und erfahren, wie Kommunikation und Miteinander ganz wesentlich für das Erreichen des Zieles sind.
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Ob ein entzündeter Appendix zu entfernen ist oder ein Leistenbruch zu schließen: Bei Operationen im Bauchraum ist in Deutschland heute die Laparoskopie, die sogenannte „Schlüsselloch-Chirurgie“, Standard. Dabei werden nur kleine Schnitte gesetzt, die nötigen Instrumente in den Körper eingeführt und von außen bedient und kontrolliert. Abgesehen von kosmetischen Aspekten hat diese Methode vor allem klare Vorteile bei der Wundheilung und reduziert das Risiko von Komplikationen. Ein Nachteil sind die hohen Kosten, so dass in strukturschwachen Ländern und Regionen der Welt laparoskopische Systeme selten zum Einsatz kommen. Kranke werden hier nach bestem Wissen und mit ärztlicher Kunst, aber eben nicht mit allen Möglichkeiten der modernen Medizin behandelt.

Hier setzte die Aufgabenstellung der diesjährigen Projektwoche „Einführung in den Maschinenbau“ (emb) an: In interdisziplinärer und erstmals auch interuniversitärer Zusammenarbeit sollten die Studierenden ein System für laparoskopische Operationen entwickeln – beispielhaft für den Einsatz in einem frei zu wählenden südostasiatischen Land –, das kostengünstig gebaut ist, innovativ und auf vor Ort verfügbaren, gern auch alltäglichen Komponenten und Materialien basiert.

Rentabilität, Nachhaltigkeit und die Möglichkeit der Ersatzteilbeschaffung spielten ebenso eine Rolle wie die medizinischen Rahmenbedingungen – Sterilisierbarkeit der Systeme und Handhabbarkeit für die Chirurginnen und Chirurgen, beispielswiese. Nicht zuletzt waren dafür auch die gesellschaftlichen Bedingungen vor Ort zu berücksichtigen und die Frage, wie es um die Akzeptanz der Methode bei Patienten und medizinischem Personal in den Zielländern steht.

Erstmals bekamen die TU-Studierenden – 318 aus dem Maschinenbau und 15 aus der Soziologie – Verstärkung von einer anderen Universität: 18 angehende Medizinerinnen und Mediziner der Universitätsmedizin der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz nahmen als Fachspezialistinnen und Fachspezialisten an der Projektwoche teil. „Die Gruppen haben die ganze Woche durch sehr konzentriert und intensiv gearbeitet“, sagt Professor Samuel Schabel, Fachbereich Maschinenbau, der die emb koordinierte. „Für viele Maschinenbau-Studierende war es erst einmal nicht offensichtlich, welche konkreten technischen Fragestellungen sich hinter der Aufgabenstellung verbergen. Beim tieferen Eintauchen in die Thematik hat sich aber schnell gezeigt, dass Medizintechnik ein sehr spannendes Feld für Ingenieurwissenschaften und für Medizin ist. Die Kommunikation zwischen den Disziplinen Maschinenbau, Medizin und Soziologie hat sehr gut funktioniert.“

"Als medizinischer Experte und Ansprechpartner für die Studierenden war ich begeistert von den vorgestellten Ideen“, freut sich Univ.-Prof. Dr. Oliver Muensterer, Projektleiter seitens der Universitätsmedizin Mainz und Direktor der Kinderchirurgie. „Meines Erachtens ist es für jede Wissenschaft, gleich welcher Disziplin, von Vorteil, den Blickwinkel interdisziplinär zu weiten. Das zu begreifen und zu lernen, die Inspirationen in die eigene Arbeit einfließen zu lassen, ist sowohl für die eigene Entwicklung als auch für die Forschung wichtig. Besonders interessant ist dabei die Kooperation von Ingenieuren und Medizinern, da gerade in der Chirurgie immer mehr Technik zum Einsatz kommt. Ich bin mir sicher, dass sowohl unsere Medizinstudierenden als auch die TU-Studierenden von dem Projekt profitieren.“

Die emb findet in Zusammenarbeit mit dem TU-Projekt KIVA (Kompetenzentwicklung durch interdisziplinäre Vernetzung von Anfang an) statt und gibt bereits zu Beginn einen Einblick ins künftige Berufsleben, das geprägt sein wird von Aufgaben, die mehr verlangen als das reine Fachwissen. Dass das Konzept aufging, zeigen Kommentare, die Studierende während der Projektwoche festhielten: „Man kann sich auch in Dinge einarbeiten, von denen man keine Ahnung hat.“ Und: „Fächerübergreifend zu arbeiten ist eine Bereicherung.“

Nicht in jeder Gruppe waren Studierende aus allen Disziplinen vertreten, aber ein gewisser Austausch und vor allem die Betreuung durch 22 Team-, 26 Fachbegleiter sowie zwölf Personen am Help-Desk sorgten jederzeit für die nötige fachlich Beratung – allerdings ohne Lösungen für die hoch komplexe Aufgabe vorzugeben. Das lag alleine bei den 40 Gruppen.
Den manchmal verschlungenen und turbulenten Weg – „vorgeprescht, jetzt wieder einen Schritt zurück“ – dokumentierten die Studierenden in Projektnotizen und Logbüchern, ihre Ergebnisse präsentierten sie in einem Bericht.

Eine Fachjury wählte dann gestern die drei Gruppen, die nicht nur das innovativste Konzept für ein Laparoskopiesystem vorlegten, sondern auch die überzeugendste Präsentation ihrer Ergebnisse ablieferten. Die betreuenden Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen waren mit den Leistungen und dem Projekt hoch zufrieden: „ In Summe ein sehr gut gelungenes Experiment der wirklich breiten interdisziplinären Zusammenarbeit“, bilanziert Samuel Schabel.

Silke Paradowski