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„Ich habe keine besondere Begabung, sondern bin nur leidenschaftlich neugierig.“ Albert Einstein

Wissen und verstehen wollen, wie die Welt funktioniert. Am Ball bleiben, wenn es nicht gleich klappt. Immer wieder Fragen stellen und sich auf die Suche nach Lösungen machen – die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler desHelmholtz-ZentrumsGeesthachtbenötigentatsächlich keine besondere Begabung. Was sie für ihre Arbeit täglich mitbringen, ist (neben der guten Ausbildung) bedingungslose Begeisterung. Denn die braucht man und einen langen Atem. Durch die Naturwissenschaften verstehen wir die Welt besser. Gleichzeitig dient die Forschung zum Beispiel

dem Klimaschutz und dem Verständnis unserer Umwelt. Die Aufgaben sind gewaltig: das Erschließen alternativer Energiequellen, Fragen zur zukünftiger Mobilität, das Erfinden neuer Materialien und der Schutz der Küsten und Meere. Diese Broschüre schaut in die Labore und Werkstätten und stellt einige Schwerpunkte vor. Dazu wurden vier Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler befragt. Sie erzählen von ihrer alltäglichen Arbeit und davon, was sie … … ab in die Forschung gebracht hat.

I N H A LT 04 | Wer ist Helmholtz?

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WA S S E R | Im Norden forschen – Lebensraum Küstenzone | Beobachten, messen, zählen – Monitoring der Meere | Dem Dreck auf der Spur – Umweltchemie | Wetteraussichten der Zukunft

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ENERGIE | Sprit war gestern – Wasserstoff ist morgen | Salz- meets Süßwasser – Energie aus dem Osmosekraftwerk | Energie stinkt nicht – Biogas wird zu Erdgas | Das weltbeste Supermikroskop – gebündelte Lichtenergie

M AT E R I A L 26 | Magnesium – ein Element mit Magie 29 | Titan – der Stoff aus der Raumfahrt 30 | Für Verbindungen sorgen – neue Schweißverfahren 34 | Schülerlabor, Praktika, Ausbildung, Wettbewerbe, Impressum


Charakter: Eigensinnig bisweilen stur

Geboren wurde Hermann Helmholtz 1821 in Potsdam. Zu der Zeit galten naturwissenschaftliche Experimente im Wissenschaftsbetrieb als eine sehr zweifelhafte Angelegenheit. Sie wurden nur außerhalb der Universitäten in kleinen„Kabinetten“ betrieben. Helmholtz hingegen hatte schon als Kind eine Schwäche für Gesetzmäßigkeiten. Er wollte Physiker werden. Das redete Vater Helmholtz seinem Sohn aus: Er sollte besser Arzt werden! Glücklicherweise wurden angehende Ärzte bereits vor rund 200 Jahren ebenso in Physik, Physiologie (also der Wissenschaft von den Lebensfunktionen), Mathematik, Biologie und Chemie unterricht. 1842 wurde Helmholtz anerkannter Doktor. Er untersuchte, wie die Information des Auges als elektrischer Impuls ans Gehirn geschickt wird. Dafür erforschte er systematisch Nervenzellen unter dem Mikroskop. Eine unerhört neuartige Arbeitsweise damals. Heute, 170 Jahre später, arbeiten die Forscher in den Helmholtz-Zentren zum Beispiel mit besonders intensiven Röntgenstrahlen, den Synchrotronstrahlen. Mit diesen energiereichen Lichtstrahlen gewinnen sie im Mikro- und Nanometerbereich neue Erkenntnisse! Andere Methoden, klar, aber die gleiche wissenschaftliche Neugierde und Arbeitsweise wie beim Namensgeber Helmholtz stehen dahinter.


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D A S E N T D E C K T E H E L M H O LT Z : _Er bestimmte die Wellenlängen des ultravioletten Lichts _Er errechnete die Leistungsgrenze des Lichtmikroskops _Er formulierte den ersten Hauptsatz der Thermodynamik _Er veröffentlichte mathematisch ausgearbeitete Studien über Naturphänomene wie Wirbelstürme, Gewitter, Luft- und Wasserwellen und Gletscher _Er erfand den noch heute von Ärzten benutzen Augenspiegel, mit dem die Netzhaut betrachtet wird

Betrachtet man sein Leben und Arbeiten, so wird völlig klar, warum die Forschungsgemeinschaft sich Helmholtz als Paten wählte. Sein Name steht für naturwissenschaftliche Forschung, für ihre praktische Anwendung und für die Vernetzung der Forschenden.

H E L M H O LT Z E R Z Ä H LT E G E R N D I E F O L G E N D E G E S C H I C H T E :

Langeweile kann nützlich sein. Als der junge Galilei während eines Gottesdienstes eine schaukelnde Lampe beobachtete, fand er heraus (indem er seinen Puls maß), dass die Dauer der Schwingungen unabhängig von der Größe der Schwingungsbögen war. Große Pendel schwingen genau so schnell wie kleine. Diese Entdeckung führte später dazu, dass die Uhrzeit ganz genau gemessen werden konnte. Was es wiederum Seefahrern erst möglich machte, den Längengrad zu bestimmen, auf dem sich ihr Schiff gerade befand!

Weißt du‘s?

Wie heißt das Instrument, mit dem die Seefahrer ihren aktuellen Längengrad bestimmen können? Eine E-Mail schreiben an raetsel@hzg.de oder Postkarte auf Seite 36 ausfüllen.


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„Immer mehr Autos verpesten das Klima.“ TOM DIEMELT, RATZEBURG

„Circa 1.500 Kilowattstunden Strom verbraucht jeder von uns im Jahr. Um nur ein Kilowatt selbst zu erzeugen, müsste man auf dem Hometrainer 10 Stunden strampeln.“ MERT YILDIRIM, BAD BEVENSEN

„EINE ERDERWÄRMUNG ÜBER 2 GRADWÜRDE DRAMATISCHE FOLGEN HABEN.“ ULJANA SAIZEW, MÖLLN

„Das Eis der Arktis schmilzt.“ KIM MEYER, STADE

„In Deutschland gibt es71Müllverbrennungsanlagen.“ SINA HANSEN, GELTING

„Der Klimawandel geht alle an. Er macht nicht vor der Grenze Halt.“ CHARLOTTE TOMASEK, GLÜCKSBURG

„Fürs Kochen und Waschen verbraucht jeder von uns rund 125 Liter Wasser am Tag.“ THILO SCHNEIDER, HAMBURG

„In den Meeren schwimmt immer mehr Plastik.“ BJÖRN HANSEN, HUSUM


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ENERGIE

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Derzeit leben circa 45 Pro auf nur fünf Prozent der La sind Nahrungslieferant, Kl weg, Rohstoffquelle, Energ Erholung und vor allem Le und Tiere.

Woran arbeiten die Forscher in Geesthacht? Küsten- und Klimaforscher wollen richtig einschätzen, wie sich der Klimawandel auf den Lebensraum Küste und Meer auswirken wird. Was wird auf die Menschen zukommen? Dazu untersuchen sie den Zustand der Küstenräume. Das ist viel schwieriger, als es sich anhört. Um die komplizierten Mechanismen des Ökosystems zu verstehen, ist grundlegendes Wissen nötig: Über Jahrzehnte hin Daten sammeln, die Zahlen sichten, vergleichen und interpretieren. Daraus lassen sich Prognosen über die Entwicklungen der Zukunft abgeben.


look at #coastdat.hzg: atlas of consistent met.-ocean (wind, waves and storm surges) data for European Coastal Seas.

zent der Weltbevölkerung andoberfläche. Die Küsten lima-Regulator, Transportg iestandort, Raum für ebensraum für Pflanzen

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Im Norden forschen – Lebensraum Küstenzone

Beachparty, Surfen, Fischen. Offshore-Windkraft, Ölplattform, Megacitys, Tourismus. Schon diese kurze Aufzählung zeigt: Die Küstenzone ist ein stark genutztes Gebiet. Umwelt und Wirtschaft stehen in direkter Beziehung. Der Gehalt von Treibhausgasen in der Atmosphäre nimmt zu. Das führt zu einem Anstieg des mittleren Meeresspiegels und zu erhöhten Wassertemperaturen. Dadurch ändert sich bereits heute das Ökosystem in vielen Küstengebieten. Um die Auswirkungen durch die unterschiedlichen Nutzungen in den Küstengebieten zu verstehen und zu verbessern, ist umfangreiche Forschung notwendig. Die Küstenforscher in Geesthacht studieren Wellen, Stürme und wie sich Stoffe im Meer ausbreiten. Dazu untersuchen sie die Vergangenheit, beobachten aktuelle Entwicklungen und beschreiben mögliche Zukunftsaussichten. Das bildet die Grundlage für ein nachhaltiges Management der Küstenumwelt.


Neue chemische Stoffe in Rhein und Nordsee nachgewiesen#http://www.hzg.de/public_relations/news/ (and storm surges) data for European Coastal Seas.

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Mit Blicken in die Vergangenheit lässt sich unser JETZT und MORGEN richtig einordnen. Ein vollständiges Bild entsteht, wenn diese Beobachtungen mit mathematischen Modellen verknüpft werden. In der Datenbank coastDat sind zum Beispiel Winde, Wellen und Strömungen der Nordsee über Jahrzehnte verfügbar.

Land unter der Klimawandel ist für Hamburg eine Herausforderung.

Gefährdete Gebiete im Wattenmeer - überwachen und schützen.

Forschen bedeutet auch: mathematische Modelle mit echten Beobachtungen zu verknüpfen.


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Beobachten, messen, zählen – Monotoring der Meere Was die Küstenforscher erreichen wollen, ist eine Gesamtschau auf den aktuellen Zustand der Meere. Denn erst wenn sehr viele Daten und Kennzahlen (Parameter) vorliegen, kann das Team Szenarien möglicher Entwicklungen zeichnen. Also hat man begonnen, eine Monitoring-Technik zu entwickeln. Monitoring bedeutet die ständige Beobachtung und vor allem die systematische Erfassung von Naturerscheinungen. So lassen sich Zusammenhänge erkennen: Warum wächst im Wattenmeer der Wurm X auf einmal doppelt so schnell? Liegt es an der Wassertemperatur oder an der Strömung? Hängt es mit einer Algenblüte zusammen oder nahm der Zufluss von Nährstoffen zu? Die Küstenforscher in Geesthacht haben zusammen mit Partnern ein Netz von Mess-Stationen in den Küstenbereichen der Nordsee aufgebaut: das Coastal Observation System for Northern and Arctic Seas, kurz COSYNA. Die fünf wichtigsten Messsysteme sind:

FerryBox Wie kommt man dauerhaft und zuverlässig an Daten vom offenen Meer? Indem Messsysteme auf Fähr- und Frachtschiffen installiert werden: FerryBoxen, die das Seewasser analysieren. Das Wasser strömt durch einen kleinen Kasten an Sensoren vorbei, die acht Messungen automatisch durchführen: Temperatur, Salzgehalt, Sauerstoffgehalt,Verschmutzungsgrad, pH-Wert, Chlorophyll (Fluoreszenz), Nährstoffgehalt, Algen. Über Satellit ist die FerryBox mit der Landstation in Geesthacht verbunden.

Forschungsschiff Regelmäßig fahren die Küstenforscher zu Messfahrten mit dem Forschungsschiff Ludwig Prandtl raus aufs Meer. Für den Einsatz im Wattenmeer ist die Ludwig Prandtl durch ihren geringen Tiefgang von nur 1,70 Metern besonders gut geeignet. An Bord gibt es ein Mehrzwecklabor,indemdieProbenausgewertetundbearbeitetwerden. An Deck stehen ein hydraulischer Faltkran und eine Winde. Zur Vermessung des Meeresbodens benutzen die Forscher ein Fächerecholot.


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@partnercosyna watch hzg/coastdat.de: atlas of consistent met.-ocean (wind, waves and storm surges) data for European Coastal Seas.

Bojen und Messstationen Messbojen und -pfähle werden fest im Meeresboden verankert und liefern sowohl Wasseranalysen wie auch radarhydrographische Daten, mit denen sich Seegang, Strömung und Wind beobachten lassen. Im Unterschied zur FerryBox gewinnt man über diese Systeme über lange Zeit hinweg Informationen von einem bestimmten Ort.

Scanfish Der Scanfish wird im Kielwasser eines Schiffes mitgeschleppt. Mit der Schleppsonde können sie nicht nur die Oberfläche, sondern auch die Beschaffenheit des Wassers in der Tiefe erkunden. Der Scanfish ist so programmiert, dass er in regelmäßigenWellenbewegungen auf- und wieder tief nach unten abtaucht und dabei wie ein Fisch die Umgebung scannt. Dabei misst er: Leitfähigkeit, Temperatur, Druck, Sedimente (Ablagerungen), Kleinstlebewesen und Algen.

Fernerkundung mit Satelliten Mit dem Umweltsatellit ENVISAT erkunden die Küstenforscher die Meeresoberfläche und weitläufige Küstenabschnitte aus mehreren Hundert Kilometern Höhe. Die Forscher haben Verfahren entwickelt, mit denen sich die Eigenschaften des Meerwassers wie die Streuung von Licht, die Transparenz und die Konzentration von Phytoplankton bestimmen lassen. Die Ergebnisse geben Aufschluss unter anderem über das Auftreten von Algenblüten, deren Häufigkeit sich im Zuge des Klimawandels verändern könnte.


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Dem Dreck auf der Spur – Umweltchemie Auf Spurensuche machen sich die detektivischen Forscher der Abteilung Umweltchemie. Die Eingangsfrage lautet: Was haben Feuerlöschschaum, atmungsaktive Jacken und die Plastikverpackung von Äpfeln gemeinsam? Die Antwort ist ein Problem für die Robben und Eisbären der Arktis: In allen drei genannten Produkten werden so genanntepolyfluorierteorganischeVerbindungen(leichterzu merken: PFCs) verwendet. Zu ihrer Überraschung fanden Forscher diese PFCs im Blut von marinen Säugetieren (Schweinswale, Robben oder Seehunde zum Beispiel). Wie kommt es zu hohen Konzentrationen der Problemstoffe in

der Arktis? Und vor allem: Wie kommen diese PFCs dort hin? Wären sie über den Wasserkreislauf transportiert worden, hätten dieSchadstoffelangeschwimmen müssen –ein paar Jahrzehnte mindestens. Die Erklärung: Die PFCs nehmen die Abkürzung über unsere Atmosphäre. Die Problemstoffe in der Luft wurden dazu mit einem neuen Analyseverfahren nachgewiesen. Damit haben die Forscher in Luftproben von der Arktis bis zur Antarktis PFCs nachgewiesen. Der PFC-Gehalt nahm von Land und den küstennahen Regionen zur offenen See hin sowie von Mitteleuropa zu den Polen hin ab.

ZU DEN ERGEBNISSEN.

P R O F. D R . R A L F E B I N G H A U S , L E I T E R D E R A B T E I L U N G U M W E LT C H E M I E

Beschreiben Sie doch bitte kurz Ihr Arbeitsgebiet. Ich beschäftige mich mit chemischen Stoffen in der Umwelt, ihrem Vorkommen und wie sie insbesondere in die Meeresumwelt gelangen, wie sie sich dort verteilen und welche negativen Auswirkungen zu erwarten sind. Arbeiten Sie allein oder mit Kollegen zusammen? Solche Fragestellungen kann man nur mit vielen Partnern bearbeiten. Das sind Partner, die entweder besondere Fähigkeiten haben, eine besondere Laborinfrastruktur oder zum Beispiel auch über Forschungsschiffe verfügen. Forschen Sie im Labor? Brauchen Sie bestimmte Apparate? Die Probeentnahme erfolgt meistens auf Forschungsschiffen, die Proben werden dann nachher bei uns im Labor

untersucht. Wir verbringen einen großen Teil der Zeit auf einem Schiff. Anschließend „verschwinden“ wir dann für ein paar Wochen im Labor. Wie kam es zu Ihrer Berufswahl? Ich habe mich in der Schule immer besonders für Chemie interessiert. Leisten Sie durch Ihre Arbeit einen Beitrag zum Naturschutz? Ja, auch wenn wir immer etwas hinterher laufen, das heißt, giftige Substanzen sind bereits in die Umwelt gelangt, und wir versuchen sie nachzuweisen. Damit können wir aber zur wissenschaftlichen Begründung beitragen, warum der Gesetzgeber etwas tun muss.


Heisse Aussicht bis 2050: Jahresmitteltemp. + 0,75 bis1,75 Grad C – bis 2100 sogar 3 bis 4,7 Grad mehr!!!

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Klimawandel: Hainbuchen und Sommerlinden profitieren – Fichte und Kiefer verlieren Raum im Norden – Forstwirte besorgt. Trend geht weiter: alle 10 J. Niederschlag um 1 % stärker, die Sommer wärmer. Winter deutlich feuchter.

Michael Zapf

Das Norddeutsche Klimabüro und das Climate Service Center beraten zum Thema Klimawandel.

Wetteraussichten der Zukunft Die Wissenschaftler haben sich unter anderem auf Norddeutschland spezialisiert. Forscher wissen, dass Landnutzungen wie Rapsanbau oder Städtebau den Klimawandel beeinflussen. Das Norddeutsche Klimabüro beschäftigt sich mit den Auswirkungen des Klimawandels für Küstenschutz, Artenvielfalt, Landwirtschaft undTourismusinderMetropolregionHamburg. Die Forschungsschwerpunkte liegen auf Stürmen, Sturmfluten, Seegang und Wasserkreisläufen in den Küstengebieten. Jeder, der wissen will, wie das Klima wird, kann im Internet nachschauen: das Norddeutsche Klimabüro hat einen interaktiven Klimaatlas online gestellt. www.norddeutscher-klimaatlas.de

Doch nicht nur in Norddeutschland benötigen Bauern, Städtebauer oder Politiker verlässliche Informationen über den gegenwärtigen Zustand des Klimas und seine künftige Entwicklung. Die Forscher und Mitarbeiter im Climate Service Center verbinden in DeutschlandbereitsvorhandeneForschungsinstitutionen, Klimaberatungseinrichtungen und dieWirtschaft zu einem umfassenden Netzwerk. In diesem Netzwerk übernimmt das CSC eine nationale Portalfunktion, hier laufen die Klimainformationen zusammen, werden überprüftundausgewertet.www.climate-service-center.de

LÖSUNGEN FINDEN:

Was bedeutet es, wenn durch den Klimawandel fremde Fischarten in die Nordsee einwandern? Stören die neuen Offshore-Windparks Seevögel? Und werden die nordfriesischen Inseln in hundert Jahren noch vom Tourismus leben können oder sind die Strände dann längst weggespült?


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Die fossilen Brennstoffe si zeitig steigt der weltweite f端r die Forschung ist klar: regenerativer Energien. Na Forschung hat heute die A zu entwickeln, die umwe


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ind begrenzt, gleiche Energiebedarf. Das Ziel Entwicklung und Ausbau aturwissenschaftliche Aufgabe, Technologien ltschonend arbeiten.

Roberto Hegeler

Woran arbeiten die Forscherinnen und Forscher in Geesthacht? Die Energieforschung hat viele Aspekte. Experimente und Forschung zum Thema regenerative Energie ist auch in Geesthacht zu finden: Grundlagenforschung im Bereich Wasserstoff und Brennstoffzelle. Oder ein Pilotprojekt zum Thema Osmosekraftwerk. Biogas säubern – daran forschen Polymerforscher. Energie lässt sich auch benutzen: Mit hochenergetischem Licht machen Wissenschaftler eigentlich Unsichtbares sichtbar.


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Sprit war gestern – Wasserstoff ist morgen Wasserstoff ist das häufigste Element im Weltall und das am einfachsten aufgebaute Element, mit genau einem Proton und einem Elektron. Es ist ein Gas – farblos, geruchlos und ungiftig und es tritt nur in Verbindungen auf. Die bekannteste und häufigste ist Wasser, H2O, die Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff. Eine Brennstoffzelle besteht aus zwei Bereichen mit jeweils einer Elektrode. An diesen Stäben aus elektrisch leitendem Material strömt auf der einen Seite Sauerstoff (an der Anode), auf der anderen Seite Wasserstoff (Kathode). Die beiden Gase sind durch eine Membran, den Elektrolyten, voneinander getrennt. Der Wasserstoff gibt an der Kathode Elektronen ab. Die positiv geladenen Wasserstoff-Ionen hingegen schlüpfen durch die Membran. An der Kathode nimmt der Sauerstoff die an der Anode abgegebenen Elektronen wieder auf und verbindet sich mit den durchgeschlüpften Wasserstoff-Ionen zum Wasser. Quasi nebenbei wird so chemische Energie in elektrischen Strom verwandelt. Brennstoffzellen können in Zukunft fast überall eingesetzt werden: in Laptops, in Autos, Schiffen oder Flugzeugen.

LÖSUNGEN FINDEN:

Manche Dinge sind im ersten Schritt genial nial einfach. Erst danach wird es richtig kompliziert. Diese Beschreibung trifft auf die Stromgewinnung ung aus Wasserstoff zu. Das Prinzip ist verblüffend simpel, die Umsetzung hingegen braucht komplexe Technologien: Wie baut man gute Membranen, die eine hohe Leistung erzielen? Wie speichert man den Wasserstoff?


Entdeckung = nanokristallines Metallpulver mit H2 ist sehr guter Speicher: sicher + effektiv.

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MEMBRAN, DAS HERZ DER BRENNSTOFFZELLE.

Sicherer Tank für Wasserstoff Eine zweite große Frage gilt der Speicherung von Wasserstoff. Das Gas lässt sich in riesigen Tanks lagern, aber das birgt ein Sicherheitsrisiko: Wasserstoff ist hochexplosiv. Gesucht ist eine sichere und zugleich kompakte Lagerung. Das Problem spielt eine wichtige Rolle bei der Entwicklung derWasserstofftechnologieimAlltag,dennwennFahrzeuge mit Brennstoffzellen fahren sollen, muss es auch überall Tankstellen geben, die dann etwas kleiner sein sollten als ein Einkaufszentrum. Das Foto zeigt die mikroskopische Aufnahme einer Membran zwischen den beiden Elektroden einer Brennstoffzelle. Di Diese Kunststoff-Membran ist ungefähr 0,1 Millimeter dünn und hat Eigenschaften, die an eine Haut erinnern. Sie muss für bestimmte „Stoffe“ dicht und zugleich für andere „Stoffe“ durchlässig sein. In unserem erinnern Fall tren trennt sie Wasserstoff und Sauerstoff.

D R . J O S E B E L LO S TA V O N C O L B E WA S S E R S TO F F F O R S C H E R

WA S S E R S TO F F A L S CHEMISCHE VERBINDUNG

Elektronen e

Wasserstoff H2 Elektrolyt (PEM)

Wasser H2O

Katalysator

Die Werkstoffforscher in Geesthacht haben die Entdeckung gemacht, dass bestimmte Metallpulver den Wasserstoff gut binden. Diese nanokristallinen (die einzelnen Kristalle haben eine Größe im Nanometerbereich) Metallhydride haben darüber hinaus die Eigenschaft, den Wasserstoff auch rasch wieder freisetzen und schnell wieder beladen werden zu können – sie besitzen also gute Tankqualitäten. In eigens eingerichteten Wasserstoff-Laboren experimentieren Chemiker und Ingenieure in Geesthacht gemeinsam an Tanks auf Metallhydrid-Basis.

Sauerstoff O2

3.500 km mit einem Liter Sprit Die ersten positiven Erfahrungen mit Metallhydrid-Tank haben studentische Rennfahrer beim Shell-Eco-Marathon gemacht. Das Rennen unterscheidet sich in ein paar Punkten von der Formel-1: Sieger wird nicht der schnellste, sondern der Wagen der mit einem Liter Kraftstoff die größtmögliche Entfernung zurücklegt und dabei so wenig Schadstoffe wie möglich ausstößt. Unter die ersten Fünf gelangt seit einigen Jahren regelmäßig das Team Fortis Saxonia. Das Fortis-Saxonia-Team besteht aus rund 20 Studenten, die an der Entwicklung eines leichten, energiesparenden Fahrzeugs arbeiten. Der Antrieb besteht aus einer Wasserstoff-Brennstoffzelle mit Elektromotor. Die Forscher aus Geesthacht haben für Fortis Saxonia den Wasserstofftank als Prototypen gebaut.


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Salz- meets Süßwasser – Energie aus dem Osmosekraftwerk Ein ebenso einfaches Prinzip der Natur steht hinter einer anderen Idee für regenerative Energiegewinnung.

DAS OSMOSEKRAFT WERK GEWINNT ENERGIE MIT TELS DER UNTERSCHIEDLICHEN SALZ-KONZENT R AT I O N I N S Ü S S W A S S E R U N D M E E R W A S S E R

Druck

Salzwasser

Membran

Süßwasser

Das Prinzip der Osmose ist bekannt: Ein Lösungsmittel (zum Beispiel Wasser) fließt durch eine durchlässige Scheidewand – eine halbdurchlässige Membran – in eine stärker konzentrierte Lösung. Nun muss man sich eine große, breite Flussmündung vorstellen: Millionen Liter Süßwasser vermischen sich in jeder Minute mit dem Meerwasser. Hat man das Bild gut vor Augen, kann es losgehen: Das Osmosekraftwerk gewinnt Energie mittels der unterschiedlichen Salzkonzentration in Süßwasser und Meerwasser. Eigentlich ganz einfach: Unterschiedlich stark konzentrierte Flüssigkeiten (hier: Fluss und Ozean) sind grundsätzlich um Konzentrationsausgleich bemüht. Nun zieht man eine Membran ein, die nur Süßwasser durchlässt, das Salz aber zurückhält. Durch diese Membran tritt Wasser von der Süßwasserseite auf die Salzwasserseite, um das stärker konzentrierte Meerwasser zu verdünnen; umgekehrt fließt nichts von der Salz- zur Süßwasserseite. Der Wasserdruck auf der Salzwasserseite steigt. Mit diesem erhöhten Wasserdruck können Turbinen zur Stromerzeugung angetrieben werden. Der Druck beträgt 12 bar, was immerhin einem 120 Meter hohen Wasserfall entspricht.

Wissenschaftler des Instituts für Polymerforschung in Geesthacht arbeiteten sechs Jahre an der Entwicklung dieser Membranen. Im November 2009 war es soweit: Der norwegische Energiekonzern Statkraft startete in Hurum am Oslofjord die weltweit erste Pilotanlage eines Osmosekraftwerks.


Osmosekraftwerk: http://www.hzg.de/ public_relations/answers/osmose/index.html.de alle Bilder u. Infos.

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Energie stinkt nicht – Biogas wird zu Erdgas Biogas boomt, immer mehr Bauern machen aus Mist Geld. Ein Problem vieler Biogasanlagen müssen die Landwirte dabei in den Griff bekommen: Biogas ist nicht sauber genug, um ins normale Erdgasnetz eingespeist zu werden. Es muss zuvor gereinigt werden. Hier helfen die Forscher: Mit Membranen aus Geesthacht wird in einer Pilotanlage das Biogas gesäubert. Als reines Erdgas kann es so ins Gasnetz der örtlichen Versorger eingespeist werden. Da freut sich der Bauer!


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Das weltbeste Supermikroskop – gebündelte Lichtenergie Zweitausenddreihundertundvier Meter lang ist der Ringbeschleuniger für Elektronen und Positronen, der unter der Erde im Hamburger Stadtteil Bahrenfeld verläuft. Hier, auf dem Gelände des DESY, wird in einer neuen Speicherring-Röntgenstrahlungsquelle mit dem schönen Namen PETRA III der feinste und brillanteste Röntgenstrahl der Welt erzeugt. Eine Art Super-Taschenlampe, die die atomare Struktur der Materie erhellen soll. Die hochenergetischen haarfeinen Röntgenstrahlen von PETRA III geben den Wissenschaftlern die Möglichkeit, scharfe Bilder im Nanobereich zu erhalten, beispielsweise von Eiweißmolekülen oder von Materialstrukturen.

Mit riesigen Instrumenten bin ich winzigen Strukturen auf der Spur.

Eine Wissenschaftlerin positioniert eine Probe im Euler-Wiege genannten Instrument.


Deutsches Elektronen Synchrotron – DESY – Partner – Faszination Physik, watch: www.desy.de bzw. www.hzg/gems.de.

ICH LASS ES LEUCHTEN.

DR. ASTRID HAIBEL, E X P E R I M E N TA L P H Y S I KERIN BEIM HELMHOLZZENTRUM GEESTHACHT

Beschreiben Sie bitte Ihr Arbeitsgebiet. Ich bin Experimentalphysikerin und arbeite in einem Großforschungszentrum an einem Synchrotron-Speicherring.Synchrotron-Strahlungisthochintensiveund hochenergetische Röntgenstrahlung. Und an welchem Projekt arbeiten Sie zurzeit? Ich bin verantwortlich für eine neue Strahlführungslinie (die Imaging Beamline) an dem in Hamburg neu entstandenen PETRA III Synchrotron. Meine Aufgabe ist es, die Beamline zu designen, aufzubauen und anschließend zu betreiben. Hierbei handelt es sich um eine Strahlführungslinie, die mikro- und nanotomographische Experimente ermöglicht, ähnlich wie in der Medizin, allerdings an kleinsten Proben mit 3Dräumlichen Auflösungen im Mikrometer- bis in den Nanometer-Bereich. Was wollen Sie herausfinden oder beobachten? Tomographie ist bekannt aus der Medizin – wir bieten ein vergleichbares Verfahren, nur wesentlich höher in seiner räumlichen Auflösung.„Nano“ bedeutet dabei, dass wir innere Strukturen in Proben im Größenbereich von 100 nm sichtbar machen können und „Mikro“ bedeutet, dass wir innere Strukturen in Proben mit einer Auflösung von unter einem μm sichtbar machen können. In der Medizin wird während einer tomographischen Aufnahme der Detektor um den Patienten gekreist, der Patient liegt still auf einer Pritsche in der „Röhre“. Bei uns kann der Synchrotron-Ring nicht „kreisen“, wir drehen deshalb die Proben im Synchro-

Ein Blick in die PETRA III Halle, unten die Messplätze.

tronstrahl. Das Ergebnis bleibt dabei aber gleich. Die Anwendungsgebiete beschränken sich nicht, wie in der Medizin, auf biologische Proben. Wir untersuchen Probengrößen im Millimeter- bis Mikrometerbereich und können mit unserem Synchrotronstrahl zum Beispiel Fehler in Metallen, Keramiken, Polymeren, Fasern, medizinischen Implantaten oder Gewebeproben aufspüren. Wie kam es zu Ihrer Berufswahl? Zufall. Ich habe mich in der Schule am meisten für Mathematik und Physik interessiert und daraufhin beschlossen, Physik zu studieren. Anschließend habe ich mich am Hahn-Meitner-Institut Berlin beworben und bekam dann zusätzlich die Alternative angeboten, die LeitungderSynchrotron-Tomographie-Arbeitsgruppe zu übernehmen. Das Angebot habe ich angenommen und bin so in dieses neue Thema hineingerutscht. Anschließend bekam ich das Angebot, für das Helmholtz-Zentrum Geesthacht bei DESY eine komplette Strahlführungslinie zu diesem Thema aufzubauen.

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Immer mehr Menschen ve mehr Öl und Gas. Der Vorr begrenzt. Gleichzeitig we schädigende Klimagase in Damit die Erde lebenswer umdenken und das Klima

Woran arbeiten die Forscherinnen und Forscher in Geesthacht? Die wichtigsten Ziele sind klar: Den CO2-Ausstoß verringern und Energiereserven schonen. Das ist in erster Linie eine Aufgabe der Politiker. Doch brauchen wir den Erfindungsgeist der Forscher, um zukunftsweisende Alternativen aufzutun. Die Helmholtz-Wissenschaftler setzen dazu auf besondere Hightech-Materialien. Ihre neuenWerkstoffe und energiesparendenVerfahren machen Autos oder Flugzeuge leichter und senken damit den Energieverbrauch.


erbrauchen immer rat fossiler Rohstoffe ist erden immer mehr die Atmosph채re gepustet. t bleibt, m체ssen wir a sch체tzen.

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Magnesium – ein Element mit Magie Ein Auto aus Magnesium? Turbinen aus Titan? Schweißen ohne Schmelzfunken? Das ist längst nicht mehr nur eine Vision der Werkstoffforschung sondern bereits Realität in den Laboren und Werkstätten in Geesthacht. Laptops und Handys werden nicht nur immer besser, sie werden auch immer leichter. Wichtigster Grund: ihr Gehäuse besteht heute oft aus Magnesium. Das Metall ist nämlich besonders leicht – viel leichter als Edelstahl und rund ein Drittel leichter als Aluminium. Warum nicht Autos aus Magnesium bauen? Denken sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Magnesium Innovation Center (MagIC) in Geesthacht. Dort gehen sie der Frage nach, welche Alternativen es zu den bekannten Materialien wie Aluminium oder Stahl gibt. Denn ein Auto mit Bauteilen oder einer Karosserie aus Magnesium ist viel leichter als ein traditionell gebautes. Es verbraucht weniger Sprit und stößt weniger CO2 aus.

Elektronen-Mikorskopische Aufnahme einer Magnesium-Legierung


Im MagIC: Legierungsentwicklung, Bearbeitung, Produkttest, Recycling erforschen.

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Dolomiten bestehen zu 13 % daraus (Dolomit) Große Maschinen für große Forschung Statt ins Labor gehen Materialforscher in ihre Maschinenhalle. Beeindruckend ist hier insbesondere „Roll-Mag“, die mehrereMillionenEuroteureMagnesium-Gießwalzanlage. Weil das Walzen und Gießen aber zeitaufwändig und teuer ist, unternehmen die Wissenschaftler neben den echten Versuchen auch Computersimulationen. Sie modellieren am Rechner die genaue Zusammensetzung des Materials, prüfen und untersuchen diesen Designerwerkstoff am Computer, bis sie zufrieden sind.

S P E Z I F I S C H E S G E W I C H T:

-1,74 Gramm auf 1 cm3 - gute Eigenschaften beim Gießen und Formen S C H M E L Z P U N K T:

- 649 Grad Celsius (Aluminium: 2467 °C) spart Energie!

Walzen Vorschmelze

Schmelzofen Magnesiumblech

Magnesium

Mobil mit Magnesium Aus den unterschiedlichsten Materialien oder Werkstoffen konstruieren Ingenieure von der Zahnspange bis zur Mondrakete so ziemlich alles. Im MagIC - dem Magnesium Innovation Center forschen rund 50 Wissenschaftler mit dem Leichtmetall Magnesium. In der weltweit einzigartigen Einrichtung helfen die Forscher bei der Entwicklung umweltfreundlicher Transportlösungen.

LÖSUNGEN FINDEN:

Wie stabil ist Mg bei einem Aufprall? Wie lässt sich Mg als Blech walzen und schweißen? Was kann man gegen die Korrosion (Rost) tun? Welche Legierungen – also Metallmischungen – sind die besten?


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EXPERIMENTIEREN MACHT SPASS.

D R . L E N K A F U S K O WA I S T M AT E R I A L W I S S E N S C H A F T L E R I N I M M A G I C

In welchem Bereich arbeiten Sie? Ich arbeite im Bereich Magnesiumknetlegierungen. Vereinfacht kann man sagen, dass unsere Aufgabe darin besteht zu verstehen, was in Mg-Legierungen während des Walzens von Mg-Blechen passiert. Unsere Erkenntnisse nutzen wir für die Entwicklung neuer Mg-Legierungen mit verbesserten Eigenschaften. Was wollen Sie herausfinden und verbessern? Wir wollen Magnesium-Knetlegierungen entwickeln, die zum Beispiel als Mg-Bleche in der Automobilindustrie Anwendung finden. Dazu gehören Untersuchungen wie: Was passiert, wenn wir die Temperatur während der Verformung erhöhen oder niedriger halten? Welche Verformungskräfte sind optimal, um qualitativ hochwertige Bleche bzw. Profile aus Magnesium herstellen zu können? Arbeiten Sie allein oder mit Kollegen zusammen? Die Experimente führe ich meist allein durch. Nach der Auswertung diskutieren wir aber sehr oft mit mehreren Kollegen darüber. In diesen Gesprächen kommen häufig interessante Ideen heraus.

Forschen Sie im Labor? Brauchen Sie bestimmte Apparate? Ja, ich benutze für meine Experimente mehrere, sehr gut ausgestattete Labore. Für mikrostrukturelle Charakterisierung arbeite ich mit optischen Mikroskopen. Wenn ich noch detaillierter eine Materialprobe ansehen will, habe ich auch ein Raster-Elektronen-Mikroskop (REM) zur Verfügung. Um die Orientierung der inneren Kristallstruktur zu untersuchen, benutze ich Röntgenstrahlung. Außerdem haben wir mehrere Prüfmaschinen für die Bestimmung vonmechanischenEigenschaftenundUmformeigenschaften des Bleches sowie eine eigene kleine Walzanlage zum Durchführen von Walzversuchen. Was machen Sie am liebsten? Mir macht es sehr viel Spaß, die Experimente zu planen und durchzuführen und ich bin immer sehr aufgeregt, ob sich meine Erwartungen erfüllen. Falls dies nicht der Fall ist, suche ich fieberhaft nach möglichen Ursachen, warum sich das Material anders verhalten hat.

Beim Zusammenwachsen helfen In Teltow werden Gerüste entwickelt, auf denen Zellen zu Geweben heranwachsen sollen, so genannte Scaffolds. Diese Kunststoff-Gerüste sind meist biodegradierbar, also abbaubar. Nach einer bestimmten Zeit löst sich das Gerüst verträglich im Körper auf. Solche Biomaterialien spielen besonders dann eine Rolle, wenn ein großer Defekt vorliegt, zum Beispiel bei großen oder komplexen Knochenbrüchen.


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Leicht gemacht #magnesium.hzg.de das macht Fahrzeuge leichter.r.

Leichte Werkstoffe tragen dazu bei, Gewicht und Energie einzusparen.

E I G E N S C H A F T E N V O N T I TA N A LU M I N I D :

– geringe Dichte von ca. 4,0 g/cm3 – hoher Schmelzpunkt von 1.460 Grad Celsiusgute Korrosionsbeständigkeit

Titan – der Stoff aus der Raumfahrt Hochleistungswerkstoffe wie Titanaluminid bieten einen Wettbewerbsvorteil, zum Beispiel im Flugzeugbau. Jedes eingesparte Kilogramm Gewicht bedeutet einen geringeren Treibstoffverbrauch. Üblicherweise werden in Flugzeugtriebwerken Hochdruckverdichter-Laufschaufeln aus Nickel-Legierungen eingesetzt. Nimmt man stattdessen Titanaluminid, so reduziert sich das Gewicht dieser Bauteile um rund die Hälfte. Dadurch lässt sich auch das Gewicht weiterer Triebwerksbauteile reduzieren: Leichtere Schaufeln erzeugen geringere Fliehkräfte an den Scheiben. Die neue Legierung ermöglicht es den Ingenieuren daher in Zukunft, insgesamt leichtere und damit sparsamere Triebwerksteile mit höherer Lebensdauer zu konstruieren.

Werkstoffforscher Dr. Michael Oehring testet eine neue Legierung. Erst nach fünf Jahren intensiver Entwicklungsarbeit kam die neue Titanaluminid-Legierung in die industrielle Anwendung.

Ein kluger Stoff – Polymere

Künstlich hergestellter Stoff, aber biologisch verträglich: Biomaterialien.

Ähnlich erstaunlich sind im Moment die Entwicklungen in der Biomaterialforschung. Biomaterial ist kein biologisch hergestelltes Material, sondern man bezeichnet damit Stoffe, die im menschlichen Körper als Implantat, Wundmaterial oder auch als Ersatz für krankes Gewebe zum Einsatz kommen. Neben Metallen kommen dafür auch Polymere infrage. Polymere sind, vereinfacht gesagt, chemischeVerbindungen von Kettenmolekülen. Die Polymerforscher arbeiten an bioabbaubaren und biostabilen Materialien und testen sie auf ihre Verträglichkeit. Die Forscher haben jetzt intelligente Materialien entwickelt: Durch die Einwirkung der Körperwärme rollt sich der Polymerfaden selbsttätig auf und verankert sich auf diese Weise fest im Gewebe – ohne Vernähen oder Knoten. Stimulisensitive Polymersysteme nennt man das, komplexes Material also, das auf äußere Reize (Körpertemperatur) in der gewünschten Weise („Rolle dich unterm Wundrand ein!“) reagiert. Polymere spielen auch in anderen Bereichen eine große Rolle, zum Beispiel bei der Entwicklung von Membranen im Umweltschutz. Mehr darüber steht im Kapitel „Energie“.


WA S S E R

ENERGIE

M AT E R I A L

Für Verbindungen sorgen – neue Schweißverfahren Ein komischer Name für ein kluges Verfahren: Rührreibschweißen.

Der Kopf rotiert mit Druck an den beiden Kanten der Metallplatten.

Mit Lasern lassen sich Flugzeugteile verschweißen.

Die Außenhaut eines Flugzeugs besteht aus unzähligen Einzelteilen. Diese werden größtenteils durch Nieten miteinander verbunden. Das Problem von Nietverbindungen: sie sind schwer und teuer! Bei circa sechs Millionen Nieten pro Flugzeug kommt da einiges zusammen. Um Nieten zu vermeiden, wird in die Erforschung neuer Schweißverfahren viel Fantasie und Zeit gesteckt. Die Geesthachter Materialwissenschaftler haben ein Verfahren entwickelt, das als Rührreibschweißen bezeichnet wird. Klingt komisch, ist aber eine neuartige Fügetechnologie, die es ermöglicht, unterschiedliche Materialien wie Metall und Kunststoff miteinander zu verbinden, ganz ohne Klebstoff. Denn die Schweißnaht muss halten, sonst stürzt der Flieger ab. Ebenfalls im Angebot: Laserstrahlschweißen. In Geesthacht gibt es eine große Halle, in der das Schweißen von Teilen der Flugzeughaut erforscht wird. Mit der Anlage lassen sich Schweißnähte von bis zu neun Metern Länge herstellen.


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ICH MAG MATHE.

Elektronen-Mikroskope unterstützen die Wissenschaftler bei der Suche nach leichten Werkstoffen für den Fahrzeug- und Flugzeugbau.

DR. ERICA LILLEODDEN BEREICH EXPERIMENTELLE WERKSTOFFMECHANIK

Beschreiben Sie doch bitte kurz Ihr Arbeitsgebiet. Ich bin Materialwissenschaftlerin und arbeite im Bereich mikro-mechanische Charakterisierung von Werkstoffen. Ich untersuche den Verformungsmechanismus von zum Beispiel Magnesium und Mg-Legierungen. Das ist nützlich zurEntwicklungvonLeichtbau-StrukturenimFlugzeugbau. Was wollen Sie verbessern? Es ist wichtig zu wissen, wie viel Spannung ein Material aushält, ehe es versagt. Wir sprechen von Versagen, lange bevor wir mit bloßem Auge einen Riss sehen können. Das fängt in einem sehr, sehr kleinen Messbereich an. Forschen Sie im Labor? Brauchen Sie bestimmte Apparate? Für die Versuche habe ich ein sehr aufwändig ausgestattetes Labor. Es gibt ein Elektronen-Mikroskop, das die Struktur auf einer Größe darstellt, die hundertmal kleiner ist als ein Haar. Wir haben auch mechanische Prüfgeräte, die mit Kraftauflösung von einem Mikro-Newton und einer Verschiebungsauflösung von einigen Angström (so klein wie der Durchmesser eines Atoms) arbeiten.

Viel Fingerspitzengefühl: das Einlegen der Probe ist eine saubere Sache.

Wie kam es zu Ihrer Berufswahl? Bereits als Schülerin habe ich mich sehr für Mathematik interessiert. Allerdings habe ich mich nicht mit ChemieBaukasten etc. beschäftigt, sondern wie jedes andere Kind gespielt. Erst in der Universität habe ich eine Vorlesung zum Thema Materialwissenschaften besucht, die ich spannend fand. Es gab auch ein Laborseminar dazu. Damit hat damals alles angefangen.


WA S S E R

ENERGIE

M AT E R I A L

„MIT SOLARENERGIE UND WASSERSTOFFTECHNOLOGIE LÄSST SICH IN ZUKUNFT EIN TEIL UNSERES STROMBEDARFS DECKEN.“ HENNAR ZERBEST, HOHENLOHE

„Später mal verfügen „Müll zu vermeiden, ist Hochhäuser über immer besser.“ eigeneSonnenkollek„DER KRAFTSTOFFtoren und WindVON kraftanlagen, die die VERBRAUCH AUTOS UND FLUGZEUGEN LÄSST Wohneinheiten MIT HIGHmit Strom versorgen.“ SICH TECH-MATERIALIEN LAURA TURETZKI, SASEL

JANNIK ZIEGLER, HAMBURG

SENKEN.“

„Auch wenn der CO2Ausstoß verringert wird, müssen wir uns an den Klimawandel anpassen.“

DOREEN SALZMANN, WITTSTOCK

HENNING LAHMER, GEESTHACHT

„Viele Wissenschaftler arbeiten heute daran, unsere Welt zu schützen.“ MERT DONGÜL, HAMBURG

„BIO ALLEIN REICHT NICHT AUS. WIR MÜSSEN NEUE TECHNOLOGIEN ERFORSCHEN.“ MIA STURM, OLDENBURG

„Auch wenn noch viel Forschung nötig sein wird, irgendwann kommt aus dem Auspuff von Autos nur noch Wasser.“ SUHEILA ASLAN, WEDEL


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SCHÜLERLABOR

PRAKTIKA

AUSBILDUNG

WETTBEWERBE

Was Ihr bei uns alles machen und erfahren könnt: Schülerlabor Quantensprung Das Schülerlabor am Helmholtz-Zentrum Geesthacht bietet Schulklassen ab der Jahrgangsstufe 10 die Möglichkeit, einen Tag lang zu experimentieren und selbst naturwissenschaftlich zu arbeiten. Die Themen entsprechen den Forschungsschwerpunkten in Geesthacht: Küstenforschung und Wasserstofftechnologie. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten entweder im Bereich Wasseranalytik oder experimentieren mit alternativen Wegen der Stromerzeugung.

Interessierte Schülerinnen und Schüler sind uns immer willkommen!

Lehrkräfte können ihre Klassen auf der Homepage über ein Formular anmelden. http://schuelerlabor.hzg.de

Praktika Lust auf mehr Forschung? Bei uns könnt Ihr während eines Schülerpraktikums erste Einblicke in den Alltag und die Arbeitsweisen der Forscherinnen und Forscher bekommen. Anfragen stellt Ihr bitte an die Personalabteilung: personal@hzg.de Am Girls’Day können Mädchen ab der 5. Klasse die verschiedenen Arbeitsbereiche des Forschungszentrums kennen lernen. In den Büros oder Laboren sind Schülerinnen einenTag lang eingeladen, Forscherluft zu schnuppern.



Ab in die Forschung