Verstehen, Vernetzen, Vorantreiben

Als Rainer Adelung das von ihm und Kollegen ent­wickelte Zink­oxid in den Händen hielt, ein Material weiß und weich wie Watte, dachte er: Damit machen wir Grund­lagen­forschung. Dass das Zink­oxid einmal Karriere als Nano-Heft­klammer und Viren-Staub­sauger machen würde, ahnte er nicht.

„Der Blick über den Tellerrand lohnt sich. Denn durch den Austausch der Disziplinen lassen sich Türen zu völlig neuen Möglichkeiten öffnen.“
„Der Blick über den Tellerrand lohnt sich. Denn durch den Austausch der Disziplinen lassen sich Türen zu völlig neuen Möglichkeiten öffnen.“ © istock/FangXiaNuo

„Wir haben diese Entdeckungen letztlich zufällig durch die gezielte Zusammen­arbeit mit Medizinern, Chemikern und Biologen gemacht“, so Rainer Adelung, der am Institut für Material­wissen­schaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel lehrt und forscht. „Erst durch den Verbund verschiedener Disziplinen entstand Spitzen­forschung im Bereich der An­wendung.“ Inter­diszipli­narität, also das gemeinsame Entwickeln und Nutzen von Ansätzen, Denk­weisen oder Methoden verschiedener Disziplinen, ist aus der heutigen Forschung kaum noch weg­zu­denken. Am Zentrum für Inter­disziplinäre Nach­haltig­keits­forschung der Universität Münster tüfteln Wissen­schaftler verschiedener Disziplinen an Lösungen für die Energie­wende. Am Inter­disziplinären Zentrum für Bildungs­forschung der Humboldt-Universität Berlin schließen sich Erziehungs­wissen­schaftler, Psycho­logen und Sozio­logen für die Erforschung des Bildungs­wesens der Zukunft zusammen. Und in Freiburg lernen Studierende vom ersten Semester an fächer­über­greifend, wenn sie sich für den Master­studien­gang Inter­diszipli­näre Anthro­pologie ein­schreiben und sich dort mit Ethno­logie, Sozio­logie oder Kognitions­wissen­schaften beschäftigen. „Die inter­diszipli­näre Forschung ist sehr stark von den Leitungen der Universitäten und Forschungs­förderern gewünscht“, sagt Ulrich Herb. Herb ist promo­vierter Infor­mations­wissen­schaftler und Diplom-Soziologe, an der Saar­ländischen Universitäts- und Landes­bibliothek ist er unter anderem für die Betreuung von Dritt­mittel­projekten zuständig. Parallel begut­achtet der Publikations­experte Forschungs­anträge für verschiedene Forschungs­förderer – ehren­amtlich, so will es die Vor­schrift. Auf seinem Schreib­tisch landen zunehmend Anträge von Forschungs­verbünden. Kein Wunder, sagt Herb. „Wissen­schaft ist nicht zuletzt ein Markt, auf dem verschiedene Institutionen um Renommee und Exzellenz miteinander konkurrieren. Die inter­diszipli­näre Forschung steht im Ruf, mehr Dritt­mittel ein­weben zu können, und ent­sprechend sind die Antrag­steller um fächer­über­greifen­des Forschen bemüht“, sagt er. Die Begutachtung der oft­mals mehrere Hundert Seiten um­fassenden inter­disziplinären Anträge gilt als an­spruchs­voll – schließlich muss sich der Sach­verständige in mehrere Themen ein­arbeiten. „Deshalb werden bei sich bewerbenden Forschungs­verbünden in aller Regel mehrere Gutachter aus verschiedenen Disziplinen hinzu­gezogen“, so Herb. Gefördert werden Forschungs­verbünde von der Exzellenz­initiative des Bundes, dem Bundes­ministerium für Bildung und Forschung (BMBF), der Europäischen Union oder der Deutschen Forschungs­gemein­schaft (DFG). Derzeit unter­stützt die DFG ungefähr 800 Verbünde mit insgesamt rund 14.000 Teil­projekten.

Die inter­diszipli­näre Forschung ist sehr stark von den Leitungen der Universitäten und Forschungs­förderern gewünscht.
Ulrich Herb, Saar­ländische Universitäts- und Landes­bibliothek

In einem von der DFG geförderten Projekt haben Rainer Adelung und seine Kollegen das Zink­oxid in eine Heft­klammer für rutschig-glatte Materialen wie das Teflon einer Brat­pfanne und das Silikon eines Fugen­füllers ver­wandelt. Diese Materialien lassen sich aufgrund ihrer niedrigen Ober­flächen­spannung mit her­kömmlichen Kleber nicht mit­ein­ander verbinden. „Wir haben dann aber fest­gestellt, dass die Kristalle des Zink­oxids aus Tetra­poden bestehen. Aus Gebilden also, von deren kugel­förmigem Zentrum vier starre Arme aus­strahlen“, sagt Adelung und erklärt weiter: „Wenn wir nun von oben und von unten Kunst­stoffe in die Tetra­poden gießen, dann muss das Silikon gar nicht mehr auf einer Ober­fläche haften. Denn das Zink­oxid verzahnt beide Schichten mechanisch mit­einander. Für mich, der als studierter Physiker vor allem in Zahn­rädern denkt, war das zunächst nichts Besonderes.“ Doch die Chemikerin einer kooperierenden Arbeits­gruppe war beeindruckt. „Sie fand die Eigenschaften der Tetra­poden sensationell und schlug vor, dass wir Teflon und Silikon an­einander­kleben.“ Der Versuch funktionierte. Inzwischen fließen die Ergebnisse der inter­diszipli­nären Forscher­gruppe direkt in praktische Anwendungs­projekte. Die Wissen­schaftler arbeiten beispiels­weise mit einem Unter­nehmen zusammen, das eine Farbe entwickelt, die nicht vom Silikon abperlt, sondern dank des bei­gefügten Zink­oxids dauer­haft auf den glatten Unter­grund auf­getragen werden kann. Und auch für die Medizin­technik ist das Ergebnis von großem Nutzen. Denn dort besteht ein hoher Bedarf, Silikon auf anderen Materialien zu befestigen, beispiels­weise bei Atem­masken, die aus Silikon und anderen Kunst­stoffen gefertigt sind.

Sprachbarrieren lassen sich über­winden

Zusammen mit Medizinern der US-amerikanischen Universität von Illinois gelang es Adelung und seinem Team außerdem, das Zink­oxiden einen Staub­sauger für Herpes­viren zu verwandeln. „Als ein Kollege aus Chicago sagte, sie wollen die Inter­aktion von Viren und Nano-Partikeln unter­suchen, schlug ich das Zink­oxid mit seiner Tetra­poden-Struktur vor“, berichtet Adelung. In mikro­biologischen Experimenten entdeckten die Mediziner aus den Staaten und die Material­wissen­schaftler aus Kiel schließlich Erstaunliches: Wie ein Magnet binden die Zink­oxid-Kristalle die Herpes­viren durch sogenannte Sauer­stoff-Fehl­stellen an ihrer Ober­fläche. Die krank­machenden Übel­täter können sich dann nicht mehr weg­bewegen. Weiter­hin zeigte sich, dass die Tetra­poden mit ihren Sauer­stoff-Fehl­stellen weiße Blut­körperchen an­ziehen. Und diese fressen die Viren von den Tetra­poden einfach weg. In Kooperation mit einer Kieler Apotheke und einer Haut­ärztin ist inzwischen eine Haut­creme gegen Lippen­herpes entstanden.

Fragt man Rainer Adelung, ob es in der inter­disziplinären Zusammen­arbeit auch manchmal Schwierig­keiten gibt, erzählt er von unter­schied­lichen Sprachen, die die Forscher mit­unter sprechen. „Als wir das Zink­oxid auf seine Un­gefährlich­keit testen wollten, haben wir es in die Toxi­kologie unseres Instituts gebracht“, erinnert er sich. „Die Toxiko­login musste uns dann erst einmal ein kleines Tutorial über ihre Arbeits­weise mit auf den Weg geben. Denn wir hatten das watte­bausch­artige Zink­oxid einfach auf eine Halterung geklebt und dadurch ver­un­reinigt. Sie hingegen braucht die zu unter­suchenden Stoffe als Pulver. Und natürlich steril“.

Durch den Aus­tausch der Disziplinen lassen sich Türen zu völlig neuen technischen Möglich­keiten öffnen.
Bernd Ponick, Leibniz Universität Hannover

Manchmal scheint es aber gerade der unbedarfte, unverstellte Blick zu sein, der Forschung und Innovation voran­treibt. Bernd Ponick ist Professor für Elektrische Maschinen und Antriebs­systeme an der Leibniz Universität Hannover (LUH) und damit Experte für alles, was fährt, und vieles, was fliegt. Ponick koordiniert zahlreiche inter­disziplinäre Forschungs­projekte, darunter auch solche, die zum Leibniz Forschungs­zentrum Energie 2050 (LIFE 2050) gehören. LIFE 2050 ist ein Zusammen­schluss von mehr als 300 Wissen­schaftlern unter­schiedlicher Disziplinen der Universität Hannover, die sich, aus verschiedenen Disziplinen kommend, mit der Frage beschäftigen, wie eine nach­haltige Energie­versorgung bis ins Jahr 2050 zu gewähr­leisten ist. Bernd Ponick hat in diesem Kontext beispiels­weise das Projekt MOBIL4e betreut, in dem die Wissen­schaftler Module für ein Fort- und Weiter­bildungs­angebot zum Thema Elektro­mobilität entworfen haben. Mit ihm können Universitäts- und Hoch­schul­professoren den angehenden Ingenieuren und Ingenieurinnen mit Themen wie Elektro­fahr­zeuge, Batterie, Leistungs­elektronik oder Lade­infra­struktur einen Einblick in die elektro­mobile Zukunft geben.

In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Fertigungs­technik und angewandte Material­forschung (IFAM) hin­gegen entwickeln Ponick und sein Team Rad­naben­motoren für Elektro­fahr­zeuge. Rad­naben­motoren sind Motoren, die direkt in die Räder des Fahr­zeugs integriert sind. „Ein zentrales Funktions­element jedes Motors sind die Spulen, durch die der Strom fließt. Sie werden bisher immer aus Kupfer­draht gewickelt“, berichtet Ponick. „Ein Material­wissen­schaftler vom Fraunhofer-Institut fragte dann aber, warum wir die Spule nicht einfach aus flüssigem Kupfer gleich in die richtige Form gießen. Diese Frage hat in 160 Jahren Elektro-Maschinen­bau-Geschichte nie jemand gestellt, und sie klang zunächst völlig absurd.“ Doch dann zeigte sich: Das Gießen einer Spule bringt zahl­reiche Vor­teile mit sich. Es lassen sich auf diese Weise Formen herstellen, die mit Draht nie möglich wären. So kann man bestimmte Stellen, die erfahrungs­gemäß sehr heiß werden, dicker gestalten. „Oder man arbeitet Kanäle in die Spule ein, durch die Kühlflüssigkeit fließt. Mit einer besseren Kühlung lässt sich mehr Strom durch die Spule schicken – und mehr Strom bedeutet leistungs­stärkere Motoren“, führt Ponick aus. Die vom IFAM gegossenen Spulen ermöglichen die Fertigung kompakter und leichter Elektro­motoren – perfekte Voraus­setzungen für Ponicks Erforschung der Rad­naben­motoren. Der Ingenieur ist über­zeugt: „Durch den Aus­tausch der Disziplinen lassen sich Türen zu völlig neuen technischen Möglich­keiten öffnen. Und das ist der Grund, warum es sich immer wieder lohnt, über den eigenen Teller­rand zu blicken und sich in inter­diszipli­nären Teams zusammen­zu­schließen.“

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