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Deutschland sucht den Forscherstar

Zum 7. Mal vergibt Bundespräsident Johannes Rau am 13. November im Deutschen Technikmuseum in Berlin den Deutschen Zukunftspreis für Technik und Innovation. Als Kandidaten nominiert sind vier Forscherteams aus Unternehmen und wissenschaftlichen Instituten.

PRE-SAFE: Autos sorgen vor

Ölspur auf der Fahrbahn. Unaufhaltsam schlittert das Auto über den Asphalt. Der Fahrer ist vor Schreck erstarrt. Doch der Wagen reagiert – scheinbar instinktiv – auf den drohenden Unfall: Er strafft die Gurte, richtet die Rückenlehne auf und schließt das offene Schiebedach.

In sechsjähriger Forschungsarbeit haben Ingenieure von DaimlerChrysler in Sindelfingen bei Stuttgart das präventive Schutzsystem Pre-Safe entwickelt. Seit Oktober 2002 ist es serienmäßig in der S-Klasse eingebaut. Pre-Safe bereitet Auto und Insassen in gefährlichen Situationen auf einen möglichen Crash vor. Wenn der Zusammenstoß vermieden wurde, gibt das System Entwarnung: Der Gurt wird gelockert, die Rückenlehne kann wieder zurückgeklappt und das Schiebedach erneut geöffnet werden.

„Bisher hat man sich vor allem auf Unfallvermeidung und Schadensbegrenzung konzentriert“, sagt Karl-Heinz Baumann vom Mercedes-Benz Technology Center in Sindelfingen. „Die Schrecksekunden vor einem Crash blieben ungenutzt.“ Integrierte Sicherheit lautet nun die Devise. Dabei werden aktive und passive Schutzsysteme verknüpft. Sensoren an den Rädern, der Lenkung und am Bremspedal kontrollieren das Fahrverhalten. Das Elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), das Antiblockiersystem (ABS) und der Bremsassistent (BAS) haben schon so manchen Autofahrer vor einer unsanften Landung im Straßengraben bewahrt. Nun werden diese Kontrolldaten auch von Pre-Safe genutzt. Eine Elektronik-Box, die im Gurtstraffer befestigt ist, überprüft die Signale. „Wir haben einen speziellen Algorithmus entwickelt, der die Unfallwahrscheinlichkeit berechnet“, sagt Baumann.

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Wenn Rutschpartie und Vollbremsung zum unkontrollierbaren Risiko werden, tritt das Vorsorgeprogramm in Aktion. Die sich straffenden Gurte verbessern während eines Schleudervorgangs die Stabilität der Insassen. Pendelbewegungen zur Seite, die bisher bis zu 30 Zentimeter betragen konnten, werden stark verringert. Ein weiterer Nutzen für die festgezurrten Insassen: Der nötige Abstand zum Seiten-Airbag ist gewährleistet, so dass dieser bei einem Crash optimal funktionieren kann. Herkömmliche Gurtstraffer werden erst beim Zusammenstoß aktiviert und innerhalb weniger Millisekunden – schneller als ein Wimpernschlag – pyrotechnisch gezündet. Der Gurtstraffer von Pre-Safe steht weniger unter Zeitdruck. Er hat für seine Rettungsaktion in der Regel einige Sekunden zur Verfügung, weshalb er elektromotorisch betrieben wird. Der entscheidende Vorteil: Der festgezogene Gurt kann immer wieder gelockert werden, wenn es nicht zum Unfall kam.

Doch das alles nutzt dem Beifahrer nichts, wenn er lässig im Sessel hängt: Er kann bei einem Aufprall unter dem Sicherheitsband durchrutschen. Auch hier sorgt Pre-Safe vor: Die Sitzkissen werden nach oben gekippt – das verbessert die Rückhaltewirkung. Die Polsterlehne wird aufgerichtet – das verringert den Abstand zum Gurt. Ein geschlossenes Schiebedach verhindert, dass bei einem Überschlag Gegenstände ins Auto eindringen, und die Arme sind nicht in Gefahr, eingeklemmt zu werden.

Computersimulationen und Versuche an Crash-Test-Dummys haben gezeigt, dass sich die Belastungen für Kopf und Brust der Insassen bei einem Frontalzusammenstoß um bis zu 20 Prozent verringern. „Doch das Potenzial des Systems ist noch lange nicht ausgeschöpft“, sagt Baumann. Die Ingenieure von DaimlerChrysler arbeiten daher bereits an der nächsten Pre-Safe-Generation. Künftig sollen auch die Seitenfenster geschlossen werden. Ein weiterer Schwerpunkt liegt im Umfeld des Fahrzeugs: Radarsensoren und Kameras sollen nicht nur die Wahrscheinlichkeit, sondern auch die Art und Schwere eines Unfalls im Voraus erkennen.

Guideport: Der Elektronische Touristenführer

Die Informationstafeln im Museum genau zu studieren, ist mühevoll. Das dämpft den Wissensdurst. Ganz anders, wenn Königin Cleopatra und Zar Peter der Große ihre Geschichte selber erzählen. Das niedersächsische Unternehmen Sennheiser aus Wedemark – mit etwa 1500 Mitarbeitern weltweit führend bei der Elektroakustik – hat zu diesem Zweck das Besucherinformationssystem Guideport entwickelt: Es bringt Museumsobjekte zum Sprechen.

Akustische Führungssysteme gibt es zwar schon seit ein paar Jahren, doch sie nehmen auf die individuellen Bedürfnisse des Besuchers keine Rücksicht. Unabhängig davon, wann jemand den Raum betritt, wird der Informationssud in Endlosschleifen abgespielt. „ Mit Guideport beginnt das Exponat erst dann zu sprechen, wenn der Besucher vor ihm steht“, sagt Sennheiser-Vertriebsleiter Rolf Meyer. „Und zwar ohne dass eine bestimmte Route vorgegeben wird.“

Vor vier Jahren wurde das neue Informationssystem erstmals im „ Experience Music Project“, einem Rockmuseum in Seattle (USA), installiert. Mittlerweile ist es weltweit an mehr als 30 Orten im Einsatz – zum Beispiel im Ferrari-Museum im italienischen Maranello, im Bio Dôme in Montreal, im Musée de la Magie in Paris und im Regenwaldhaus in Hannover. Alles, was der Besucher braucht, ist ein Stereo-Kopfhörer und ein Empfänger – kaum größer als eine Zigarettenschachtel und nur 130 Gramm schwer. „Das Gerät ist so praktisch, dass manche Besucher vergessen, es am Schluss zurückzugeben“, schmunzelt Meyer.

Der Ausstellungsraum ist – ähnlich wie ein Mobilfunknetz – in Zellen aufgeteilt. Diese werden über Funk mit den für sie relevanten Informationen gefüllt. Die Texte sind im PC einer Schaltzentrale gespeichert. Betritt ein Besucher den Raum, lädt der Empfänger die digitalen Daten herunter. Bei der Frage, welcher der Infotexte abgespielt werden soll, hilft ein „ Identifier“, der am Exponat befestigt ist. Er sagt dem Empfänger beispielsweise: „Ich bin Vase 27.“

Welche Art von Informationen der Besucher erhält, hängt dabei von dessen Interessen und Bildung ab. „Es gibt Eiler und Verweiler“, sagt Meyer. „Die einen wollen weniger, die anderen mehr wissen.“ Das entsprechende Level – Anfänger, Fortgeschrittene oder Erfahrene – kann der Besucher per Knopfdruck wählen, ebenso die gewünschte Sprache. Bei Videoübertragungen oder Filmvorführungen, die in manchen Räumen stattfinden, wird der Text synchron auf die Kopfhörer übertragen.

Das System kann von den Ausstellungsbetreibern aktiv genutzt werden: Aktuelle Durchsagen verkünden, wenn das Krokodilbaby schlüpft oder Feueralarm droht. In Zukunft soll Guideport auch den Besucherstrom lenken – und hungrige Mäuler in das leere Restaurant im Obergeschoss lotsen, wenn im Parterre-Bistro Verstopfung droht. Der Preis für ein Informationssystem mit 100 Sendern liegt, samt Installation, bei 15000 Euro.

Der neueste Auftrag bringt Guideport in die Pilgerstätten Saudi-Arabiens. Dort herrschen wahrhaft babylonische Zustände: Nur 30 Prozent der Gläubigen können Arabisch, der Rest verständigt sich in 80 verschiedenen Sprachen. „Wir werden unsere Führungen in 32 Sprachen anbieten“, sagt Meyer. Allerdings: Christen dürfen die heiligen Stätten nicht betreten. Deshalb muss das niedersächsische Informationssystem von muslimischen Technikern installiert werden.

Feldfallen: Schwebende Zellen

Sie ist ein Mikrometer kleines Wunderwerk der Natur: die Zelle. In ihr ist der gesamte Bauplan eines Organismus gespeichert. Trotzdem ist jeder Körperbaustein einzigartig. Der Mensch besteht aus 1014 Zellen – das sind rund 10000-mal so viele wie es Menschen auf der Erde gibt.

Für die Medizin und Biotechnologie sind die Körperbausteine ein unersetzbares Werkzeug: Sie helfen bei der Bekämpfung von Krebs und Herzinfarkt und bilden den Ausgangspunkt für den künstlichen Aufbau von Gewebe und Organen. Doch die Arbeit mit den Zellen außerhalb des Körpers ist schwierig: Sie müssen im Labor isoliert, untersucht, behandelt, sortiert und abgelegt werden. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik (IBMT) in St. Ingbert und der Humboldt-Universität in Berlin haben nun zusammen mit dem Hamburger Unternehmen Evotec einen Mikrochip entwickelt, der dies alles ermöglicht – und zwar ohne die Zellen zu berühren. Bisher wurden die Körperbausteine mit Pipetten angesaugt – und dabei oft zerstört. Denn: Zellen reagieren extrem empfindlich auf Berührung. Zudem lassen sich die anhaftenden Zellen nur schwer von Glas und Plastik lösen.

Im neuen Mikrochip wird der Körperbaustein nicht berührt, sondern von einem elektromagnetischen Feld festgehalten. „Wir haben die Paul’sche Feldfalle, in der Atome und geladene Teilchen im Vakuum untersucht werden, um eine biotechnologische Variante bereichert“, sagt Prof. Günter Fuhr vom IBMT. „Während dort im luftleeren Raum und bei extrem niedrigen Temperaturen unwirtliche Bedingungen herrschen, ist unsere Zellfalle lebensfreundlich.“

Das Minilabor ist etwa vier Quadratzentimeter groß und zwei Millimeter dick. Im Inneren befinden sich zahlreiche Kanäle, die dünner sind als ein menschliches Haar. Sie sind gefüllt mit einer Nährlösung – einem wässrigen Gemisch aus Proteinen, Kohlenhydraten und Ionen. Ähnlich wie im menschlichen Blutkreislauf strömen die Zellen durch das Labyrinth – gelenkt von bis zu 60 Elektroden, die reliefartig an Decke und Boden der Kanäle angebracht sind.

Soll eine Zelle genauer unter die Lupe genommen werden, wird sie zunächst in die elektromagnetische Falle gelockt. Dafür werden acht Elektroden, die würfelförmig angeordnet sind, per Knopfdruck am Computer aktiviert. Die erzeugten hochfrequenten Radiowellen schließen die heranschwimmende Zelle – gegen die Strömung – in ihrem Kraftfeld ein. Mit Hilfe von Mikroskop und Laserscanner kann sie untersucht und vermessen werden. Außerdem lässt sich die Zelle durch parallel laufende Flüssigkeiten lenken und mit Medikamenten beladen, um ihre Reaktionen zu testen. Dabei ist der gitterlose Käfig nicht größer als ein Staubkorn, die winzigen Elektroden sind nur wenige Mikrometer voneinander entfernt.

Mittlerweile gibt es sechs Zellchip-Arten, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen: Eines der Minilabors isoliert die äußerst raren Stammzellen, die bei der Tumorbekämpfung helfen. Ein anderes bildet Zellgruppen in einer bestimmten Konfiguration – ein erster Schritt, um Gewebe künstlich zu produzieren. Und ein drittes ist so stark miniaturisiert, dass damit sogar Bakterien und Viren vermessen werden können. „Wir entwerfen und produzieren Zellchips innerhalb von acht Wochen“, sagt Projektleiter Fuhr, „maßgeschneidert für die jeweilige Anwendung.“

Flüssigkristalle: Die Neue Fernseher-Generation

Auf die richtige Mischung kommt es an. In den letzten acht Jahren haben Wissenschaftler des Darmstädter Chemie-Unternehmens Merck den Zaubermix gebraut – Flüssigkristalle, die unsere Fernsehlandschaft revolutionieren.

Die Erfolgsgeschichte der lang gestreckten organischen Moleküle, deren elektrische Ladung ungleichmäßig verteilt ist, begann 1888. Der österreichische Botaniker Friedrich Reinitzer experimentierte mit Cholesterylbenzoat und stellte fest, dass der Stoff zwei Schmelzpunkte hat. Normalerweise wechseln Materialien bei einer bestimmten Temperatur ihren Aggregatzustand. Flüssigkristalle hingegen legen einen Zwischenschritt ein und werden dabei milchig-trüb.

In dieser „Mesophase“ weisen die Stoffe Eigenschaften auf, die für Flüssigkeiten genau wie für Kristalle charakteristisch sind. Die Moleküle sitzen nicht mehr in der starren Gitterformation und sind deshalb leicht beweglich. Dennoch ist ihr Verhalten richtungsabhängig – in einem elektrischen Feld ändern die stabförmigen Teilchen ihre Orientierung. Diese Eigenschaft machen sich die Entwickler zunutze und setzen Flüssigkristalle als Lichtschranken in Bildschirme – so genannte Liquid Crystal Displays (LCDs) – ein. Taschenrechner, Handys und Computer hat das Mesophasen-Material schon lange erobert. Jetzt hält es auch im heimischen Wohnzimmer Einzug. „Die Ansprüche an Fernsehbildschirme sind nicht nur höher, sondern auch völlig anders“, sagt Projektleiter Kazuaki Tarumi. „Zum einen geht es darum, die Umschaltgeschwindigkeit der Moleküle zu erhöhen, zum anderen muss der Hell-Dunkel-Kontrast verbessert werden.“

Für ein TV-Display mit einer Bildschirmdiagonalen von etwa 60 Zentimetern benötigt man weniger als ein Gramm der streng geheimen Mixtur. Dabei werden die Flüssigkristalle in einer zirka fünf Mikrometer dünnen Schicht zwischen zwei Glasplatten eingeschlossen. Im Ruhezustand müssen die Moleküle möglichst senkrecht ausgerichtet sein, um das Display völlig abzudunkeln. Wird eine elektrische Spannung angelegt, ändern die stabförmigen Teilchen ihre Richtung so, dass das Bild hell wird.

„Es ist wichtig, die Moleküle möglichst rasch zu schalten, damit schnelle Bewegungen nicht verwischen“, sagt Physiker Tarumi. „Mittlerweile haben wir Schaltgeschwindigkeiten von 16 Millisekunden erreicht.“ Wie prompt die Lichtschranken reagieren, hängt von den chemischen und physikalischen Eigenschaften der Flüssigkristalle ab. Eine Substanz allein kann die hohen Anforderungen nicht erfüllen. Für TV-Bildschirme werden deshalb bis zu 30 Flüssigkristall-Arten vermischt – zur Auswahl stehen etwa 15000 verschiedene Materialien.

Im Unterschied zu den traditionellen Fernsehgeräten mit Kathodenstrahlröhren ist das flache LC-Display ein Leichtgewicht: Bei einer Größe von etwa 55 Zentimetern bringt es statt 19,6 nur noch 9,3 Kilogramm auf die Waage. Im Vergleich zu Plasmabildschirmen bestechen die Flüssigkristall-Displays durch ihre Sparsamkeit: Sie verbrauchen zwei Drittel weniger Strom als ihre ebenfalls flachen Konkurrenten. Der Preis für ein 55 Zentimeter großes Gerät liegt bei 3000 Euro.

In den nächsten zwei Jahren wollen die Hersteller der neuen Fernseher-Generation 25 Prozent des TV-Marktes erobern. Doch eine Hürde gibt es noch: Die Schaltgeschwindigkeit der Moleküle soll auf drei Millisekunden reduziert werden. Nur so lassen sich Bewegungen auf dem Fernsehschirm ähnlich flüssig wiedergeben, wie man es bei den traditionellen Fernsehgeräten gewöhnt ist, die mit Lichtblitzen im Mikrosekundenbereich arbeiten – nicht zu verwechseln mit den Elektrodenstrahlen, die den Bildschirm 25-mal pro Sekunde abtasten.

„Das Gehirn der Kinder hat sich an die Art der bewegten Bilder von LCD-Geräten bereits gewöhnt“, sagt Tarumi. „Sie sitzen problemlos stundenlang vor dem Bildschirm. Die ältere, Kathodenstrahl getrimmte Generation wird jedoch manchmal seekrank.“ Dieser Nebeneffekt lässt sich durch eine verbesserte Mixtur beseitigen, versichert der Wissenschaftler.

Die Preisträger der Letzten sechs Jahre

1997: Christhard Deter (Laser-Display-Technologie, Gera) für die Arbeit an der Laser-Display-Technologie, die elektronische Videosignale per Laserstrahl in gestochen scharfe Bilder verwandelt.

1998: Prof. Peter Grünberg (Forschungszentrum Jülich) für die Forschung an magnetischen Materialien mit neuartigen Schichtstrukturen. Sie ermöglichen das Lesen großer Datenmengen durch hoch empfindliche Sensoren.

1999: Prof. Peter Gruss und Prof. Herbert Jäckle (Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen) für die Identifizierung von Schalter-Genen, die die Bildung von Organen steuern – ein erster Schritt, um genetische Programme zu reaktivieren und Krankheiten wie Diabetes oder Fettleibigkeit zu heilen.

2000: Prof. Karlheinz Brandenburg, Bernhard Grill und Harald Popp (Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen, Erlangen) für die Entwicklung des MP3-Komprimierungsverfahrens. Dabei werden Musiksignale auf etwa acht Prozent der ursprünglichen Datenmenge reduziert – nahezu ohne Qualitätsverlust.

2001: Prof. Wolfgang Wahlster (Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz, Saarbrücken) für die Arbeit an Computern, die Sprache verstehen und automatisch übersetzen können.

2003: Prof. Maria-Regina Kula und Martina Pohl (Institut für Enzymtechnologie, Universität Düsseldorf) für die Nutzung von Enzymen als biologische Katalysatoren. Sie beschleunigen den Reaktionsablauf chemischer Prozesse.

Bettina Gartner

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