Aufzeichnungen Wissenschaft online

Künstliche Intelligenz (KI) speist sich aus den Neurowissenschaften und der Hirnforschung, die unser Verständnis biologischer neuronaler Netzwerke vertiefen, sowie aus Elektrotechnik und Informationstechnik, mit einem Fokus auf neuartigen, energieeffizienten memristiven Bauelementen und Schaltungen als Grundlage künftiger neuromorpher Computer für die KI. Der Vortrag startet mit diesen Disziplinen und gibt einen kurzen Überblick über aktuelle KI-Anwendungen mit einem Blick auf zukünftige Entwicklungen – einschließlich ihrer Potenziale und Herausforderungen.

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Licht kann weit mehr, als nur Dinge sichtbar zu machen – es kann uns verraten, wie Materie im Innersten aufgebaut ist. Wenn Licht auf eine Oberfläche trifft, werden Elektronen herausgelöst, die uns Informationen über die Struktur und die elektronischen Eigenschaften der dort liegenden Moleküle liefern. Mit der Photoemissions-Orbitaltomographie (POT) lassen sich daraus sogar die Formen der Molekülorbitale rekonstruieren – gewissermaßen Porträts der Elektronenhüllen. So entsteht ein faszinierender Blick auf Moleküle im Rampenlicht.

Dr. Anja Meier (PGI-3) ist Exzellenzpreisträgerin.

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Im Jahr 1985 war die Wissenschaft sehr überrascht über die Entdeckung des Ozonlochs über der Antarktis, das niemand so vorausgesagt hatte. Innerhalb weniger Jahre wurde im Prinzip die wissenschaftliche Erklärung für die Bildung des Ozonlochs gefunden. Das Ozonloch wird durch die anthropogenen Emissionen von Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffen (FCKWs) verursacht. Sehr schnell wurde mit dem Montrealer Protokoll ein wirksamer internationaler Vertrag geschlossen, um die FCKW-Emissionen auf null herunterzufahren.

Durch das im Montrealer Protokoll beschlossene Verbot der FCKWs erwartet man eine Erholung so etwa um das Jahr 2060 und man sieht schon erste Anzeichen dieser Erholung. Die wesentlichen Aspekte der stratosphärischen Chemie scheinen verstanden und die Modelle können eigentlich recht gut das Ozonloch beschreiben, das sich jedes Jahr im antarktischen Frühling wieder bildet.

Jedoch wurde im Jahr 2012 in einer Doktorarbeit am FZJ festgestellt, dass sich die zeitliche Entwicklung von Chlorwasserstoff (HCl) über der Antarktis am Beginn des Winters deutlich von den Beobachtungen unterscheidet. Diese Diskrepanz ist in weiteren gängigen Atmosphären-Modellen auch vorhanden, aber die Ursache dafür war seitdem lange nicht klar.

In seinem Vortrag erläutert Dr. Jens-Uwe Grooß vom ICE-4 zunächst die wissenschaftlichen Grundlagen zur Bildung des Ozonlochs. Ferner zeigte er die Resultate der aktuellen Studie (Comm. Earth & Env., 6, 496, doi:10.1038/s43247-025-02499-4) vor. Hier wurde beleuchtet, welche chemischen Reaktionen in den Modellen fehlen könnten, um diese Diskrepanz zu korrigieren. Es wurde weiterhin gezeigt, welchen Einfluss diese zusätzlichen Reaktionen auf das Ozonloch hätten.

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Das Einstein-Teleskop, der europäische Gravitationswellendetektor der nächsten Generation, könnte im Dreiländereck gebaut werden. Es wird schwarze Löcher, kollidierende oder explodierende Sterne und vieles mehr über nahezu das gesamte Universum bis zurück in das dunkle Zeitalter beobachten. Prof. Dr. Achim Stahl zeigte in seinem Vortrag einige Beispiele dieser wissenschaftlichen Ziele und der damit verbundenen technologischen Herausforderungen.

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"Atome mit KI sehen"oder „Wie wir Computern beibringen, in Materialien hineinzuschauen“. Der Vortrag nimmt uns mit auf eine Reise in die unsichtbare Welt der Atome. Mit Hilfe leistungsstarker Elektronenmikroskope und künstlicher Intelligenz können wir heute Computern beibringen, Muster zu erkennen, die für das menschliche Auge zu klein sind. Dr.-Ing. Bashir Kazimi vom IAS-9, Institut für Materialdatenwissenschaften und Informatik, zeigt, wie KI Wissenschaftlern dabei hilft, die verborgenen Strukturen von Materialien aufzudecken. Er zeigt auch, warum dies für die Entwicklung der Technologien von morgen wichtig ist.

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Lebensmittelkolloide sind Teil unseres Alltags: Milch, Joghurt oder Käse. Verschiedene gesellschaftliche und ökologische Entwicklungen unterstreichen die Bedeutung einer stärkeren Integration nachhaltiger und pflanzlicher Lebensmittelkolloide in die menschliche Ernährung. In ihrem Vortrag erklärt Dr. Theresia Heiden-Hecht weshalb pflanzliche Lebensmittelkolloide eine wissenschaftliche Herausforderung darstellen und wie man dieser begegnen kann.

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Was wird präsentiert

Ein vielversprechender Wirkstoff gegen Alzheimer, der Hoffnung macht. Ein Quantencomputer, der auch Mittelständlern neue Türen öffnen kann. Und ein Dürre-Tool, das unseren Landwirten verrät, wo Trockenheit droht. Das alles wird am Forschungszentrum Jülich entwickelt. Und es zeigt: Forschung kann viel bewegen, wenn sie den Weg in die Anwendung findet.

Aber: Solche Erfolge könnten deutlich häufiger vorkommen. Woran hakt es und was können wir ändern?

Eine aktuelle Studie im Auftrag des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) zeigt: Die Transfer- und Innovationsförderung auf Bundesebene ist vielfältig – doch es gibt weiteres Potenzial.

Im Termin stellt Dr. Ann-Katrin Beuel (I) einige Beispiele vor. Danach tragen Florian Knetsch und Dr. Natalie Mevissen (beide PtJ) die zentralen Ergebnisse der Studie vor und zeigen auf, wie Transfer noch besser gelingen könnte. Nach dieser kurzen Einführung steht die Diskussion praxisnaher Handlungsempfehlungen mit den Teilnehmern im Mittelpunkt.

Hinweis: Folie 7, von 23'00'' bis 24'00'': Bildrechte: © hanohiki – stock.adobe.com

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Was wird präsentiert:

Seit den 1950er Jahren wird an der kontrollierten Nutzung der Kernfusion zur Energiegewinnung geforscht. Trotz gewaltiger Fortschritte im physikalischen Verständnis und der erfolgreichen Entwicklung und Optimierung entsprechender Geräte, vor allem für den magnetischen Einschluss, gibt es immer noch kein energielieferndes Kraftwerk. Es lässt sich allerdings beobachten, dass in den letzten Jahren viele private Firmen entstanden sind, von denen einige, aufbauend auf dem vorhandenen Wissen, den Bau eines Fusionsreaktors im nächsten Jahrzehnt ankündigen. Bislang konnten diese Firmen Risiko-Kapital in Höhe von ca 10 Mrd. US$ einwerben. Der Vortrag wird die Grundlagen der Kernfusion erläutern und kurz die historische Entwicklung der Fusionsforschung darstellen, bevor dann eine Auswahl dieser Startups vorgestellt wird. Die Arbeiten des IFN-1 zur Materialforschung und -entwicklung werden kurz vorgestellt und in den Zusammenhang gestellt. Der Vortrag endet mit einigen Schlussfolgerungen und dem Versuch, einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen zu geben.

Hintergrund:

Das 'Institute of Fusion Energy and Nuclear Waste Management - Plasmaphysik' (IFN-1) führt ein Forschungs- und Entwicklungsprogramm zur Plasma-Wand-Wechselwirkung und Materialforschung für Fusionsanlagen durch. Die wissenschaftlichen Aufgaben als auch die Projektarbeiten dienen dem Ziel, die Voraussetzungen für ein brennendes Fusionsplasma zu schaffen.

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Was wird präsentiert:

An der Schnittstelle zwischen Biologie und Elektronik erforschen Wissenschaftler neue Wege, um lebendes Gewebe mit weichen, flexiblen Geräten zu kombinieren. Die hybride Bioelektronik will Systeme entwickeln, die sich nicht nur nahtlos in den Körper integrieren, sondern auch dessen natürliche Funktionen erweitern. Ein Beispiel ist eine künstliche Haut, welche die Heilung unterstützt und ihren eigenen Zustand überwacht.

Fortschritte in der Material- und Elektronikentwicklung eröffnen Möglichkeiten für Geräte, die sich an den Körper anpassen und mit ihm „wachsen“, symbiotisch mit lebendem Gewebe interagieren und sogar kontinuierliches Feedback über ihren Zustand geben.

In ihrem Vortrag beleuchtet Dr. Dahiana Mojena Medina vom Institut für Bioelektronik IBI-3 die Herausforderungen dieser Technologie sowie die Chancen für Forschung, industrielle Tests und zukünftige klinische Anwendungen.

Der Vortrag ist Teil des YESP Programmes.

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Was wird präsentiert:

In seinem Vortrag stellt Dr. Sören Möller eine spannende Methode zur Materialuntersuchung vor: die MeV Ion Beam Analysis – auf Deutsch etwa „Materialanalyse mit hochenergetischen Ionenstrahlen“.

Dabei werden winzige Teilchen (Ionen), die auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt wurden, auf ein Material geschossen. Beim Auftreffen geben diese Ionen Informationen darüber preis, aus welchen chemischen Elementen das Material besteht und wie es im Inneren aufgebaut ist. Man kann damit also sozusagen in das Material „hineinschauen“, ohne es zu beschädigen.

Hintergrund:

Diese Technik wird im Forschungszentrum Jülich schon seit einigen Jahren eingesetzt. Neuere technische Verbesserungen machen sie heute noch leistungsfähiger: Man kann Materialien präziser analysieren und sogar detailreiche Bilder davon erzeugen.

In seinem Vortrag zeigt Dr. Sören Möller, wie die physikalischen Grundlagen dieser Methode funktionieren und wie sie in der Praxis angewendet wird. Dazu erläutert er Beispiele aus verschiedenen Forschungsbereichen – von Batterieforschung bis hin zur Plasmaphysik, also der Erforschung extrem heißer Gase, wie sie z.  B. in der Kernfusion vorkommen.

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Was wird präsentiert:

In seinem Vortrag stellt Jan Uecker neue Erkenntnisse zur direkten Nutzung von Meerwasser und Abwasser in Hochtemperatur-Elektrolysezellen (SOECs) vor – einer Technologie zur Herstellung von grünem Wasserstoff. Meerwasser klingt auf den ersten Blick wie die perfekte Ressource: unbegrenzt verfügbar und kein Verbrauch von kostbarem Süßwasser. Zudem bietet sich eine Nutzung von Abwässern aus der Industrie an auch hinsichtlich neuartiger closed-loop Konzepte. Doch beim genaueren Hinsehen zeigen sich Herausforderungen: Salze und andere Verunreinigungen im Wasser können zu Problemen führen und könnten den Alterungsprozess beschleunigen.

Hintergrund:

Hochtemperatur-Elektrolysezellen gelten als Schlüsseltechnologie für die effiziente Wasserstoffproduktion und sind seit vielen Jahren ein Forschungsschwerpunkt am FZJ. Besonders spannend ist die Frage, ob sich auch Meer- und Abwässer direkt nutzen lassen. Da die Zellen mit Wasserdampf betrieben werden, erreichen Salze und Verunreinigungen direkt die aktiven Zentren – mit Chancen, aber auch Risiken für die Stabilität. Im Vortrag werden neueste Forschungsergebnisse vorgestellt, die diese Effekte beleuchten, sowie technische Konzepte, mit denen sich die Herausforderungen meistern lassen.

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die Nutzung von pflanzlichen Rohstoffen wie z.B. Holz oder Fasern spielt eine wichtige Rolle für eine nachhaltige Wirtschaft. Allerdings unterscheiden sich Pflanzen je nach Art und Anbau stark, was ihre Verarbeitung schwierig macht. Deshalb braucht es genaues Wissen darüber, wie die Struktur des pflanzlichen Rohstoffs mit den Verarbeitungsverfahren zusammenhängt und es braucht ggf. neue (alternative) Pflanzen und robuste Verfahren, um pflanzliche Rohstoffe in nachhaltige Produkte umzuwandeln.

Anhand verschiedener Beispiele zeigt Dr. Holger Klose, wie alternative Pflanzen Konventionelle als Rohstoffe für Materialien wie Zellstoff ersetzen können und wie neue chemische und biologische Verfahren solche Rohstoffe zu Produkten wie Textilien und Papier umwandeln können.

Am Institut für Pflanzenwissenschaften IBG-2 werden Biomasseproduktionssysteme in enger Zusammenarbeit mit der Biomassekonversion und nachgelagerten Prozessen in Bioraffinerien entwickelt. Neben der Optimierung von Qualität und Ausbeute der pflanzlichen Biomasse wird versuchet, Konkurrenzen um Land und Ressourcen sowie die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren. Die gezielte Entwicklung innovativer, auf Biomasse basierender Produkte schafft, neue Möglichkeiten für neuartige Wertschöpfungsnetzwerke für eine nachhaltige Bioökonomie. Während alternative Biomassepflanzen in den letzten Jahrzehnten hauptsächlich für Bioenergiezwecke angebaut wurden, konzentriert das IBG-2 sich auf die Entwicklung neuartiger, wertschöpfender Produkte in Kombination mit gezielten Kreislaufprozessen in systemischen Ansätzen, die Produktion, Umwandlung und Recycling umfassen.

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Die Neurowissenschaften haben sich in den letzten Jahren vermehrt für Emotionen und soziale Kognitionen interessiert und versuchen dabei immer mehr „echte“ Interaktionen abzubilden, zum Beispiel Kooperatives Arbeiten, Wettkampsituationen oder Konflikte. Hier ist nicht mehr nur allein die Hirnfunktion einer einzelnen Person wichtig, vielmehr müssen Möglichkeiten gefunden werden zu lernen, wie Personen aufeinander reagieren- und welche Rolle die Hirn-zu-Hirn Kommunikation dabei spielt. Eine moderne und technisch herausfordernde Methode, die dazu eingesetzt werden kann, ist das „fMRT Hyperscanning“.

Durch die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) können Veränderungen in der Gehirnaktivität sichtbar gemacht werden. Hyperscanning bedeutet dabei, dass nicht nur die Reaktionen des Gehirns einer Person erfasst werden, sondern gleichzeitig auch die Reaktionen des Gehirns eines Interaktionspartners. Es findet also eine simultane fMRT Messung statt, während zwei Personen zum Beispiel in einer Computeraufgabe, interagieren. So können hirnfunktionelle Muster, die aus den Antworten beider Gehirne zusammen entstehen genutzt werden, um die Interaktion und ihren Verlauf zu charakterisieren.

Jun.-Prof. Wagels zeigt am Beispiel einer Studie zur Sozialen Interaktion bei Geschwistern, wie sich interaktive Verläufe und hirnfunktionelle Muster in Kooperations-, Konflikt- und Wettbewerbssituationen verändern, sowie welchen Einfluss Merkmale der Geschwisterbeziehung darauf haben können.

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