Licht in die "Schattenwelt" des Universums

Die Max-Planck-Gesellschaft veröffentlicht die Forschungsperspektiven 2005

Astrophysiker und Astroteilchenphysiker der Max-Planck-Gesellschaft hatten großen Anteil an den entscheidenden Durchbrüchen bei der Beobachtung Schwarzer Löcher, extrasolarer Planeten sowie der Entdeckung der Dunklen Materie und Dunklen Energie. Die Identifizierung dieser „Schattenwelt“ ist eine der größten Herausforderungen (astro-) physikalischer Grundlagenforschung.

Die Ergebnisse überraschten: Die Materie im Kosmos wird von einer bisher unbekannten Teilchenform – der Dunklen Materie – dominiert, die für das ständige Wachstum des Universums verantwortlich scheint. Die Graviation der gesamten sichtbaren Materie reicht nicht aus, das All an der Expansion zu hindern. Daher wird sich der Kosmos nach dem heutigen Wissensstand bis in alle Ewigkeit weiter ausdehnen. In den kommenden Jahren wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weitere Erkenntnisse über die Entstehung und Entwicklung des Universums als Ganzem, Galaxien und massereichen Schwarzen Löchern sowie Sterne und Planetensysteme gewinnen.

Maßgeblich beteiligen will sich die Max-Planck-Gesellschaft auch an den geplanten Missionen, die den gesamten Bereich des elektromagnetischen Spektrums abdecken und überwiegend in internationaler Kooperation entwickelt und finanziert werden. Die Plasmaforscher der Gesellschaft erhoffen sich in den kommenden Jahren mithilfe internationaler Projekte neue Erkenntnisse über Plasmen, ein fundiertes Verständnis von Sternexplosionen und die Kontrolle der Kernfusion. Großprojekte wie der Forschungsreaktor ITER, der zum ersten Mal auf der Erde ein brennendes Kernfusionsplasma erzeugen soll, oder der SolarOrbiter, der der Sonne so nah kommen wird wie kein anderes Raumfahrzeug zuvor, sollen die Wissenschaft einen großen Schritt vorwärts bringen.

Künftige Energieträger

Die Erforschung des Erdsystems und der Wechselwirkungen zwischen menschlichen Aktivitäten, Landökosystemen, Ozeanen und Atmosphäre liegt im Fokus der Forschung mehrerer Institute und ist Thema des Kapitels Raumschiff Erde. Langfristig stehen die Entwicklung wirtschaftlicher und politischer Strategien zur optimalen Nutzung der natürlichen Ressourcen und technologischer sowie ökonomischer Alternativen einer nachhaltigen Energieversorgung auf dem Plan.

Solarenergie und ein auf Wasserstoff aus erneuerbaren Ressourcen basierendes System gelten derzeit neben der Vision der Energieerzeugung durch Kernfusion als die wahrscheinlichsten Varianten. Ziel der Arbeiten ist dabei nicht die Entwicklung technisch nutzbarer Prototypen, sondern die Erarbeitung wissenschaftlicher Grundlagen und Komponenten für solche Kreislaufsysteme.

Das Ziel der biomimetischen Materialforschung in der Max-Planck-Gesellschaft ist es, durch sorgfältige Analyse die Prinzipien der Natur zu verstehen und bei synthetisch hergestellten Werkstoffen anzuwenden: Nicht nur kopieren, sondern erweitern heißt die Maxime. Bessere Leichtbaukonstruktionen im Automobilsektor, eine neue Architektur, aber auch neuartige Klettverschlüsse oder nachwachsender Zahnschmelz sind mögliche Anwendungen solcher Forschungen. In diesem Bereich werden schwerpunktmäßig neue Funktionsmaterialien mit Nanostrukturierung entwickelt. Das Ziel: bessere Batterien, hoch empfindliche Sensoren, Membranen für die Brennstoffzelle oder neue elektronische Komponenten.

Ein Beispiel für kleinste Festkörper, die Wissenschaftler der Max-Planck-Gesellschaft erforschen, sind Kohlenstoff-Nanoröhren, die sich dank ihrer Eigenschaften zum Aufbau klassischer und quantenmechanischer Bauelemente in der Nanoelektronik eignen. Transistoren werden schneller, Mikroprozessoren immer kleiner. In zehn bis zwanzig Jahren erreichen sie möglicherweise Strukturgrößen im atomaren Bereich. Dann eröffnet die Quantenphysik neue Möglichkeiten, da die Informationsträger nicht nur die beiden Zustände an oder aus annehmen können, sondern beliebige Überlagerungen. Mit Quantencomputern werden dann komplexe Systeme verstanden, die sich mit herkömmlichen Computern nicht simulieren lassen (Kapitel Materialien und Zeitalter).

Tiefe Einblicke in Mikrokosmos und Universum

Die gezielte Einflussnahme auf die Zustände und Bewegung mikroskopischer Materie zählt zu den großen Aufgaben der modernen Naturwissenschaften. Präzise kontrolliertes Licht ist ein einzigartiges Instrument zur Erfüllung dieser Aufgaben. Modernste kohärente Lichtquellen und neueste optische Technologien erlauben die genaue Messung der Eigenschaften von Materie sowie die Kontrolle ihrer Bewegung. Die erwarteten Auswirkungen reichen von der Anwendung von Quanteneffekten (Quanteninformationstechnik und Quantengase) über präzise Tests von Theorien des sehr Kleinen (Mikrokosmos) und des sehr Großen (Universum) bis hin zur Echtzeitverfolgung von Prozessen tief im Inneren von Atomen, Molekülen und biologischer Materie mit Attosekunden-Auflösung.

Ohne Laser wären heute die Datenübertragung über große Distanzen sowie schneller Zugriff auf große Datenmengen genauso unvorstellbar wie die Herstellung von Computerchips oder feinste Eingriffe in der Augenchirurgie. Die Revolution, die Laserlicht in Wissenschaft und Technik ausgelöst hat, ist noch lange nicht am Ende angelangt und bietet völlig neue Perspektiven für die Nutzung von Licht-Materie-Wechselwirkungen sowie die Erforschung des Mikro- und Makrokosmos. „Laserlicht verbindet wie kaum ein anderes wissenschaftliches Werkzeug unterschiedlichste Forschungsgebiete und verspricht in den kommenden Jahren zahlreiche neue Brücken zwischen Instituten und der Gesellschaft, aber auch im Anwendungsbereich zu schlagen“ (Kapitel Materialien und Zeitalter).

Max-Planck-Institut für Softwaresysteme gegründet

Angesichts der stark gewachsenen Bedeutung der Informatik hat sich die Max-Planck-Gesellschaft zur Gründung eines Instituts entschieden, das die wissenschaftlichen Grundlagen für die Entwicklung komplexer Softwaresysteme erforschen soll. Von deren reibungslosem Funktionieren sind schon heute internationale Geschäftsprozesse, weltweit operierende Telekommunikationsnetze sowie große Teile der Automobil- und Flugzeugfertigung abhängig.

In diesen Bereich gehört auch ein weiteres innovatives Thema mit großem Potenzial: Intelligente Computersysteme. Hier bestehen vielfältige Überschneidungen mit den Lebens- und Geisteswissenschaften wie der Hirnforschung und der Neuropsychologie – und so wird die innovative Nutzung der Informationstechnologie für interdisziplinäre Forschungsfragen in den kommenden Jahren zunehmen. Beispielsweise werden Animation und Visualisierung in virtuellen Umgebungen die Zusammenarbeit zwischen Kunstgeschichte, Kognitionspsychologie und Neurowissenschaften bei der Frage nach historischen Veränderungen der menschlichen Raumwahrnehmung und Raumvorstellung voranbringen. Die Max-Planck-Gesellschaft wird diese instituts- und sektionsübergreifenden Kooperationen fördern.