"Wissenschaft für Jedermann": Vorträge im Deutschen Museum

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Die Miniaturisierung von künstlich hergestellten Strukturen wie Computerprozessoren oder Speichermedien schreitet immer weiter voran. Der Vision »There’s Plenty of Room at the Bottom« des Physikers Richard Feynman folgend, öffnen die Nanowissenschaften, die Arbeit mit Atomen, Molekülen und Strukturen im Größenbereich von wenigen milliardstel Metern, völlig neue Perspektiven für die Grundlagenforschung und technologische Anwendungen. Funktionale Moleküle wie Porphyrine sind dabei interessante Bausteine. Solche Moleküle spielen auch in biologischen Prozessen wie beispielsweise dem Sauerstofftransport im Blut oder der Photosynthese in Pflanzen eine entscheidende Rolle. Inspiriert von diesen Möglichkeiten, versuchen Physiker um Prof. Wilhelm Auwärter die Eigenschaften der Moleküle zu charakterisieren, zu variieren und zu nutzen. Ziel ist es, ein grundlegendes Verständnis von den vergleichsweise einfachen Modellsystemen zu erhalten, um in Zukunft molekulare Strukturen für die Anwendung in Solarzellen, Sensoren und der Optoelektronik zu optimieren.

Um mit der Nanowelt in Kontakt zu treten, haben sich Rastersonden-Mikroskope als ideale Werkzeuge erwiesen. Sie liefern faszinierende Bilder von molekularen Strukturen und können sogar einzelne Atome und chemische Bindungen visualisieren. Diese Technik erlaubt es außerdem Atome oder Moleküle mit atomarer Präzision zu verschieben und diese miteinander zu verbinden. Der Vortrag wird einen Einblick in die Arbeit mit Molekülen an Oberflächen geben. Insbesondere wird erläutert, wie man Oberflächen durch Selbstorganisation von Molekülen großflächig strukturiert, wie einzelne Moleküle als winzige elektrische Schalter fungieren und wie man chemische Reaktionen auf Oberflächen gezielt ablaufen lässt um Nanomaterialien mit neuartigen Eigenschaften zu erzeugen.

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Was sind die fundamentalen Bausteine der Natur? Was hält sie zusammen? Warum macht die bekannte Materie nur fünf Prozent der Masse des Universums aus? Und was ist Dunkle Materie? Am 4. Juli 2012 wurde die Entdeckung eines neuartigen Elementarteilchens am weltweit größten Teilchenbeschleuniger, dem Large Hadron Collider (LHC) in Genf bekannt gegeben, des sogenannten Higgs-Bosons – im Volksmund auch »Gottesteilchen« genannt. Seither versuchen die Physiker fieberhaft, die Eigenschaften dieses rätselhaften Teilchens genauer zu erforschen. Das Higgs-Boson vermittelt eine Kraft, die sich völlig anders als die bekannten Naturkräfte verhält. Es enthält den Schlüssel zur Erklärung der Masse aller Materie im Universum und könnte dramatische Einblicke in das Schicksal des Universums liefern. Warum sind nach seiner Entdeckung die meisten Teilchenphysiker überzeugt weitere, noch unbekannte Teilchen zu finden? Welche Konsequenzen hätte dies für unser Weltbild?

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In gewissem Sinn ist Kernfusion die direkteste Nutzung der »Sonnenenergie«, denn ein Fusionskraftwerk soll – ähnlich wie die Sonne – Energie aus der Verschmelzung von Wasserstoffkernen gewinnen. Um eine ausreichende Anzahl von Fusionsreaktionen zu erzielen, müssen in einem künftigen Kraftwerk Temperaturen von ca. 200 Millionen Grad vorherrschen. Bei solch hohen Temperaturen bildet sich ein Plasma, ein Gas aus geladenen Teilchen. Plasmen können in Käfigen aus Magnetfeldern eingeschlossen werden, die auch für die nötige Wärmeisolierung sorgen. Im Laufe der Fusionsforschung haben sich zwei Konzepte für solche Magnetfeldkäfige herauskristallisiert: der Tokamak und der Stellarator. Das Tokamak-Konzept ist deutlich weiterentwickelt, aber während der Tokamak bisher in Pulsen betrieben wird, ist der Stellarator für Dauerbetrieb geeignet. Das weltweit modernste Stellarator-Experiment ist Anfang dieses Jahres am IPP in Greifswald in Betrieb gegangen. Es soll die prinzipielle Kraftwerkstauglichkeit von Stellaratoren testen, aber noch keine Fusionsenergie erzeugen. Der auf dem Tokamak-Konzept basierende ITER, der im südfranzösischen Cadarache gebaut wird, soll dagegen erstmals Energiegewinnung durch Fusion demonstrieren. Im Vortrag wird diskutiert, warum der Weg zur Kernfusion so lang ist, wo wir stehen und welche Probleme noch zu lösen sind. Im Gegensatz zu Spaltungskraftwerken beruhen Fusionskraftwerke nicht auf einer Kettenreaktion und eine Endlagerung von radioaktiven Abfällen ist nicht erforderlich. Aus diesem Grund bieten sich Fusionskraftwerke langfristig als Ersatz von bisherigen Spaltungskraftwerken an.