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Kopf im Bild Seite
: KOPF IM BILD
Attosekunden–physik
Eine Attosekunde, das Trilliardstel einer Sekunde, „verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zum Alter des Universums“, sagt Marcus Ossiander. „Für das Design der nächsten Generation von Solarzellen oder Prozessoren müssen wir Prozesse, die auf derart kurzen Längen- und Zeitskalen ablaufen, verstehen.“ Der Münchner hat in Harvard (USA) zur Metaoptik geforscht und wird nun an der TU Graz ein Mikroskop zur präzisen Messung ultrakurzer chemischer Reaktionen bauen – mit 1,2 Millionen Euro aus einem START-Preis vom Wissenschaftsfonds FWF.
Mit herkömmlichen Linsen lässt sich das zur Beobachtung kleinster elektronischer Bewegungen nötige extrem kurzwellige ultraviolette Licht nicht bündeln. Ossiander wird darum Nanostrukturen nutzen, wie man sie in Virtual-Reality-Brillen einsetzt. „Metaoptiken erlauben es uns, Linsen und Prismen zu schrumpfen. Wenn sie nur noch einen halben Mikrometer dünn sind, können sie kein Licht mehr absorbieren, das eröffnet einen ganz neuen spektralen Bereich für Mikroskope.“
TEXT: USCHI SORZ FOTO: SABINE HOFFMANN
: JUNGFORSCHERINNEN
USCHI SORZ
Die Roboter sind da, wie gehen wir am besten mit ihnen um? Das beschäftigt diese jungen Forschenden an der TU Wien aus unterschiedlichen Blickwinkeln
Dominik Bauer, 30, Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik
Im März hat der Vorarlberger im Rahmen des Doktoratskollegs „Trust in Robots“ promoviert, jetzt forscht er als Postdoc weiter in der „Vision for Robotics“-Gruppe daran, Robotern das Sehen beizubringen. „Etwas so Alltägliches wie ein unaufgeräumter Schreibtisch kann für einen Roboter eine komplexe Angelegenheit sein“, sagt der Informatiker. „Wie soll er im Durcheinander einzelne Gegenstände erkennen?“ Bauer setzt an der Tatsache an, dass die Welt physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgt. „Eine Kaffeetasse zum Beispiel steht eher auf ihrem Boden, als dass sie auf ihrem Rand balanciert.“ Er entwickelt Methoden, die die Wahrnehmung eines Roboters genauer machen und dessen Interaktionen erfolgreicher. „Ein Assistenzroboter braucht solche Fähigkeiten, um das Richtige zu bringen.“
Matthias Hirschmanner, 32, Institut für Automatisierungs- und Regelungstechnik
Auch der Oberösterreicher forscht in der „Vision for Robotics“-Gruppe daran, wie Menschen Robotern neue Informationen vermitteln können. Nach dem Bachelor in Elektro- und Informationstechnik und dem Master in Energie- und Automatisierungstechnik steht jetzt seine Dissertation im Doktoratskolleg „Trust in Robots“ im Fokus. „Ich finde das Interdisziplinäre an der Robotik spannend, hier kommen nicht nur Mathematik, Physik und Informatik zusammen, sondern auch Soziologie und Psychologie“, sagt er. „Roboter agieren nicht in einem Vakuum, sondern in der unmittelbaren Umgebung von Menschen. Man kann sie aber nicht für alle Aktivitäten vorprogrammieren.“ Darum müssten sie von den Benutzer*innen lernen. „Etwa wenn diese vorzeigen, wie man den Geschirrspüler einräumt.“
Helena Frijns, 31, Institut für Managementwissenschaften
„Unsere Theorien beeinflussen, wie wir die Interaktion mit Robotern gestalten“, sagt die Niederländerin, die bildende Kunst, Mathematik und Medientechnologie studiert hat. Jetzt beschäftigt sie sich am Doktoratskolleg „Trust in Robots“ mit benutzer*innenfreundlichen Programmiermöglichkeiten von für soziale Zwecke gedachten Maschinen. „Hier ist kritisches Reflektieren durchaus angebracht“, sagt sie. „Da Technologien Teil der Gesellschaft sind, halte ich es für wichtig, sich auch mit den Machtverhältnissen auseinanderzusetzen, die durch deren Nutzung eingeführt oder verstärkt werden.“ Die Entwicklung von Robotern zwinge uns, über die Interaktion mit ihnen sehr detailliert nachzudenken. „Dabei wird deutlich, wie komplex die menschliche Kommunikation tatsächlich ist.“
CHRISTOPH PONAK
: KLIMATECHNOLOGIE
MARTIN HAIDINGER
: HORT DER WISSENSCHAFT
Energiesparen Red Flag Act
Zur Eisenherstellung aus Erzen verwendet man heute größtenteils kohlenstoffbasierte Reduktionsmittel wie Koks oder Kohlenmonoxid und zunehmend auch Wasserstoff. Letzterer soll aus Elektrolyseuren kommen, die Strom nutzen, um Wasser zu zerlegen.
Die ambitionierten Dekarbonisierungspläne der EU, die Wasserstoffstahl gern als „grün“ darstellen, sind jedoch ein Mammutprojekt. Einige vereinfachende Annahmen wie hochqualitative Erze verwenden, dreißig Prozent des Stahls aus Schrott statt aus Erzen (also Recycling) herstellen und ein Überschuss von rund vierzig Prozent Wasserstoff ermöglichen eine überwältigende Veranschaulichung. Das zu hinterfragende Prinzip: Die Nutzung von Hochöfen verursacht für 6,1 Millionen Tonnen österreichischen Roheisens rund 8,5 Millionen Tonnen CO2, Wasserstoff rein chemisch keines. Heureka?
Der mit der Wasserstoffproduktion assoziierte CO2 Abdruck hängt von der Herkunft des elektrischen Stroms und des Wasserstoffs selbst ab. Bei Annahme von einem CO2 Ausstoß von etwa 200 bis 300 Gramm CO2 pro Kilowattstunde Energie („GridFaktor“), 75 kg Wasserstoff pro Tonne Eisen und 55 kWh Strom pro Kilo Wasserstoff landet man bei 5,07,6 Millionen Tonnen CO2. Stammt der Wasserstoff aus Erdgas, sind es 4,3 Millionen Tonnen. Das nicht „null“.
Die Wasserstoffmenge, sollte sie aus Elektrolyseuren stammen, die mit erneuerbarer Energie betrieben werden, benötigt ca. 25,2 Terawattstunden Energie pro Jahr. Die in Österreich installierte Kapazität aus rund 1.300 Windkraftanlagen beträgt 3.300 MW, was bei 2.200 Volllaststunden in etwa 7,3 Terawattstunden jährlich entspricht. Es braucht also 4.500 Windräder für die inländische Eisenproduktion.
Bei allen vereinfachenden Annahmen, zu erwartenden Technologieverbesserungen und zu hoch geschätzten GridFaktoren ist ersichtlich, dass der Erneuerbarenausbau zu langsam geht. Die europäische Förderlandschaft sollte daher weiterhin diverse technologische Ansätze unterstützen und Wasserstoff nicht als allheilbringende Klimalösung werten. An Sparsamkeit, die wir im Winter womöglich üben werden dürfen, aber auch an Carbon Capture and Utilisation Storage wird kein Weg vorbeiführen.
MEHR VON CHRISTOPH PONAK: ENGINEERS FOR A SUSTAINABLE FUTURE: WWW.ESFUTURE.AT WWW.SHIFTTANKS.AT Typisches Stadtkind, bin ich als kleiner Bub wenigstens an den Wochenenden und in den Ferien in jener ländlichen Wiener Randgegend im 22. Bezirk teilaufgewachsen, in der ich noch immer nebenansässig bin. Dominierendes Fortbewegungsmittel in WienEssling war zu Anfang der 1970erJahre neben einer dahinbummelnden Straßenbahn und danach dem Autobus 26A das Automobil – wie sonst hätte man in die entlegenen Gartensiedlungen gelangen sollen? Radlfahrer waren damals vor allem in Gestalt ältlicher Damen mit rustikalen Kopftüchern wahrnehmbar, die ob ihrer Gebrechlichkeit nicht mehr zu Fuß von zuhause zum Greißler oder zur Grabpflege auf den Friedhof gehen konnten und daher das Zweirad wie einen Rollstuhl benutzten. Auch betagte Herren geigelten hin und wieder auf ihren Waffenrädern ins Wirtshaus und wieder zurück.
Dazwischen flitzten wir jungen Leute auf unseren Kinderradeln hin und her, doch wer das 16.Lebensjahr erreicht hatte, stieg in der Regel auf die „Reibm“, das „Mopperl“, also das Moped, um und blieb der Motorkutsche, ob zwei oder vierrädrig, bis zum Tode treu. Radfahren war eine Randerscheinung.
Das hat sich grundlegend gewandelt. Die sonntägliche Radlinvasion in der Lobau ist eine Sache, der Berufsverkehr auf dem Drahtesel eine weitere. Bis zur UBahnStation in der Seestadt braucht man mit dem Fahrrad von der Stadtgrenze zu Großenzersdorf wenig mehr als 13 Minuten. Ist man in den Steinbezirken angelangt, stellt sich die Situation noch einmal anders da. Bis vor wenigen Wochen war das so gut wie aufgelassene ORFFunkhaus auf der Argentinierstraße in Wien 4 für 32 Jahre mein innigst geliebter Arbeitsplatz. Das ist leider vorbei. Nach wie vor dient allerdings die abschüssige lange ArgentinierGerade als Rennstrecke für besonders eilige Velozipedisten jederlei Geschlechts.
Wenn ich notorischer Fußgänger wieder einmal den Sausewind so eines Tieffliegers im Nacken spüre, denke ich nicht nur an den Literaten Karl Kraus, der 1936 nächtens von einem Rad angefahren und zu Tode gebracht wurde, sondern auch an den „Red Flag Act“ im England des 19. Jahrhunderts. Dieses Gesetz sah vor, dass vor jedem Automobil, das mit mehr als 6,4 km/h unterwegs war, ein Fußgänger mit einer roten Warnflagge einherzugehen habe, auf dass keinem Passanten ein Leid geschehe. Vielleicht sind im Rathaus vom 1. Mai für die hurtigsten Radler noch ein paar rote Fähnchen übrig? Natürlich nur für die Stadt. Auf dem Land, in Essling, sind wir ohnehin gemütlicher unterwegs. Ob auf dem Rad oder im kontemplativen Autobus.
: FINKENSCHLAG
HANDGREIFLICHES VON TONE FINK TONEFINK.AT
ZEICHNUNG (AUSSCHNITT) FLORIAN FREISTETTER
: FREIBRIEF
Bildungserfolg
Corona-Pandemie und Klimakrise sind zwei aktuelle Phänomene, die uns mehr als deutlich vor Augen führen, dass es sich lohnt, über Wissenschaft Bescheid zu wissen. Wenn man zumindest ein paar Grundlagen verstanden hat, fällt es leichter, sich in der Gegenwart zurechtzufinden. Mit dem nötigen Wissen ist man den Entscheidungen der Politik nicht ganz so hilflos ausgeliefert und kann, halbwegs informiert, Teil der Gesellschaft sein. Informierte Entscheidungen zu treffen ist immer eine gute Sache, insbesondere dann, wenn man diese Entscheidungen nicht nur für sich selbst, sondern auch für andere trifft. Im Fall von Corona und Klima betrifft das die Politikerinnen und Politiker, denn sie sind es, die beschließen, welche Regeln für uns gelten und welchen Weg wir in der Zukunft gehen müssen.
Wissenschaftliche Erkenntnisse können (und dürfen) natürlich nicht die einzige Grundlage für politische Entscheidungen sein. Eine Gesellschaft, die rein rational organisiert wird und dabei die inhärent menschliche Irrationalität nicht berücksichtigt, kann nicht funktionieren.
Aber umgekehrt gilt eben auch, dass man die Wissenschaft nicht völlig ignorieren darf. Auch dann, wenn es nicht um Naturwissenschaft geht. Die in den anderen Wissenschaftsdisziplinen gefundenen Erkenntnisse sind vielleicht nicht von ähnlicher Aussagekraft wie die mathematisch orientierter Fächer. Aber man kann Aussagen treffen und man kann beurteilen, ob bestimmte Strategien zielführender sind als andere.
Ein politisch durchaus relevantes Beispiel betrifft die Bildung. In Österreich wird schon in der Volksschule festgelegt, ob ein Kind später das Gymnasium oder einen anderen Schultyp besuchen wird. Jeder Versuch, das zu ändern, trifft auf hartnäckigen Widerstand aus der Politik. Die Wissenschaft ist jedoch sehr eindeutig: Die frühe Auslese macht (unter anderem) Bildungserfolg undurchlässiger, das Schulsystem teurer und drängt Kindern einen Weg zu einem Zeitpunkt auf, an dem ihre Begabungen und Interessen noch längst nicht feststehen.
Bildungspolitik sollte wissenschaftliche Evidenz ebenso ernst nehmen wie die Gesundheits oder Umweltpolitik. Ignoranz macht schwere Entscheidungen nicht leichter. Nur dümmer.
MEHR VON FLORIAN FREISTETTER: HTTP://SCIENCEBLOGS.DE/ ASTRODICTICUM-SIMPLEX
NACHRICHTEN AUS FORSCHUNG UND WISSENSCHAFT
Seiten 6 bis 9
Wie Wissenschaft in unsere alltäglichen Lebensumstände eingreift und sie verändert
: BIOLOGIE
Dumme Frösche?
Tarnkleidung lässt ihr Gehirn schrumpfen
JOCHEN STADLER
Wer gut getarnt im Dickicht hockt, hat kein großes Gehirn nötig. Das fand der Biologe Alexander Kotrschal beim Camouflagemuster- und Denkzentralenvergleich von mehr als hundert Froscharten heraus. Er forscht in den Niederlanden am Department of Animal Sciences der Universität Wageningen. „Wenn man auffällig ist, braucht man Hirn, um auf intelligenzbasierte Fluchtstrategien zurückgreifen zu können“, erklärt Kotrschal. Ist man ein bunter Frosch und zusätzlich ausgesprochen dumm, landet man rasch im Bauch einer Schlange.
Ob Schlauheit oder Camouflage das Überleben besser fördern, kommt auch auf die Zahl an Beutegreifern an. Leben wenige Fressfeinde in einem Gebiet, was die Gefahr niedrig hält, in deren Mägen zu landen, können es sich die Frösche eher leisten aufzufallen und ein großes Gehirn für intelligentes Fluchtverhalten und andere kognitive Fähigkeiten entwickeln. Sie haben dann die geistige Kapazität, das Risiko durch eher selten nahende Fressfeinde gut abzuschätzen und die bestgeeignete Fluchtstrategie zu wählen. Unterstützt werden gewiefte Frösche dabei meist von besonders muskulösen Hinterbeinen für den Sprung ins Dickicht. „Diese Strategie wird wohl bei hohem Jägerdruck weniger effizient, was kleine Hirne und stattdessen vermehrte Tarnung bevorzugt“, erklärt Kotrschal mit Kolleg*innen im Fachjournal Science Advances.
Alexander Kotrschal, Universität Wageningen
: KOGNITIONSFORSCHUNG
Hohe Frauenstimmen gelten traditionell als attraktiv – Irrtum, sagt eine neue Studie
Sie wollen gar nicht wissen, was Milben nachts auf Ihrem Gesicht treiben
Eine hohe Stimme lässt eine Frau in Männerköpfen als jung erscheinen. Das ist aber wohl auch schon alles
JOCHEN STADLER
Männer halten Frauen mit hoher Stimmlage für jünger als mit Normalstimme, berichtet die Wiener Kognitionsforscherin Christina Krumpholz im Fachjournal „Frontiers in Psychology“. Das macht die Frauen in den Männerköpfen entgegen herrschender Theorien aber weder attraktiver noch weiblicher.
Krumpholz spielte 104 sich als heterosexuell deklarierenden Männern zwischen 19 und 38 Jahren Videos mit sprechenden Gesichtern von zwanzig Frauen vor, die 18 bis 45 Jahre alt waren. Die Teilnehmer sahen die Videos zweimal, einmal davon mit höherer Stimme.
Die hohe Stimmlage führte dazu, dass die Gesichter jünger eingeschätzt wurden, im Schnitt um ein halbes Jahr. Die Bewertung von Attraktivität, Weiblichkeit und Gesundheit veränderte die Stimmlage aber nicht.
Bisher dachte man, dass höhere Frauenstimmen ihre Besitzerinnen attraktiver machen. „Die Stimmhöhe ist nämlich ein Indikator für Jugendlichkeit, Weiblichkeit und auch Gesundheit“, sagt Krumpholz, die am Institut für Psychologie der Kognition, Emotion und Methoden der Universität Wien forscht: „Aus evolutionärer Sicht sollten Männer solche Dinge an Frauen schätzen, weil sie tendenziell den Reproduktionserfolg erhöhen“. Da dies in der Studie nicht bestätigt wurde, müsse man diese Theorie in Frage stellen. Für solche Einschätzungen ist jedenfalls wohl bloß das Gesicht wichtig, die Stimme jedoch nichtssagend.
Christina Krumpholz, Universität Wien
: MIKROBIOLOGIE
Und wir sind dafür auch noch verantwortlich, schütten wir doch abends ein stimulierendes Hormon aus
JOCHEN STADLER
In menschlichen Antlitzen hausen Milben, die sich dort nächtens paaren. Aufgerüttelt werden sie dazu von einem Hormon, das Menschen zur Dämmerungszeit in die Haut ausschütten, um besser einschlafen zu können, nämlich Melatonin.
Kleine wirbellose Tiere wie die „Demodex folliculorum“-Milben
Alejandro Manzano Marin, Universität Wien
macht es hingegen nachtaktiv. Die mikroskopisch kleinen Tierchen entwickelten sich durch ihre sehr spezielle Lebensweise in der menschlichen Gesichtshaut zu derart vereinfachten Organismen, dass sie bald mit dem Menschen eins werden könnten, meint der Mexikaner Alejandro Manzano Marin vom Zentrum für Mikrobiologie und Umweltsystemwissenschaften der Universität Wien. Er hat das Erbgut der Tierchen inspiziert, die dermaßen isoliert und fest in menschlichen Hautporen leben, dass sie sich „einer dauerhaften Existenz mit den Menschen nähern“.
Mütter übertragen die Hautmilben auf ihre Kinder, wahrscheinlich beim Stillen. Dabei sind Temperatur und Feuchtigkeit erhöht, erklärt Marin. So trägt sie fast jeder Mensch im Gesicht und an den Brustwarzen. Hier ernähren sie sich von Talg, den die Poren abgeben. Inzucht hat die Tierchen um das Gen für die Nachtaktivität gebracht, daher sind sie auf menschliches Hormon angewiesen. Auch das Gen ging verloren, das sie bei Tageslicht munter macht. Ein Vorteil für die Parasiten, weil ihnen auch jene für UV-Lichtschutz fehlen.
: MATHEMATIK
Der Blick nach innen
Teresa Rauscher erforscht nichtlineare Akustikeffekte
USCHI SORZ
Ob in der Akutmedizin, als Vorsorge- oder Kontrolluntersuchung: Sonografien sind heute Routine. Dabei wandern für das menschliche Ohr unhörbare Ultraschallwellen durch den Körper und werden von den Geweben und Organen wie ein Echo zurückgeworfen. Der Computer errechnet daraus das Bild, das Ärzt*innen zur Diagnose heranziehen. „Dahinter stecken mathematische Modelle auf Basis von partiellen Differentialgleichungen“, erklärt Teresa Rauscher von der Universität Klagenfurt. „Mit Letzteren lassen sich viele komplexe biologische, medizinische und technische Prozesse beschreiben.“ Im Zuge ihres Doktorats, das mit einem Forschungsaufenthalt an der Radboud-Universität in den Niederlanden verbunden ist, hat es sich die 25-Jährige zum Ziel gesetzt, sonografische Methoden zu verbessern. „Gängigen mathematischen Modellen liegt eine sehr lineare Vorstellung von Akustik zugrunde“, sagt sie. „Dabei werden aber etliche physikalische Effekte vernachlässigt.“ Dies wiederum beeinträchtige die Exaktheit der Darstellung.
Tatsächlich breiten sich die Ultraschallwellen im Körper strahlenförmig aus, sie werden nicht nur reflektiert, sondern auch gestreut oder absorbiert. „Je intensiver und fokussierter sie sind, desto mehr nichtlineare Effekte gibt es“, so Rauscher. „Und die so entstehenden höheren Frequenzkomponenten kann man für die bildliche Darstellung nutzen.“ Sie konzentriert sich darum auf nichtlineare partielle Diffentialgleichungen, genauer gesagt Wellengleichungen. „Die Bildgebung muss man dann als sogenanntes inverses Problem betrachten.“ Dabei geht es um die mathematische Ableitung unbekannter Größen – wie eben die nicht direkt messbaren nichtlinearen Effekte – aus indirekten Parametern.
Der Hauptvorteil der Einbeziehung der Nichtlinearität sei eine optimalere Auflösung der Ultraschallbilder. „Weniger Fehler durch Ungenauigkeit erhöht die Sicherheit der Patient*innen.“
