Modernes Leben: Die 10 wichtigsten Anwendungen der Wissenschaft
Grundlagenforschung in allen Ehren, aber die größten Auswirkungen hat Wissenschaft dort, wo ihre Anwendungen in den Alltag eingreifen. Auf diese Weise haben die Ergebnisse der Wissenschaft die Welt in den letzten 100 Jahren drastisch umgestaltet. Wir stellen die wichtigsten Entdeckungen kurz vor.
Solarzellen wandeln die nahezu unerschöpfliche Strahlungsenergie der Sonne direkt in elektrische Energie um – dass sie das können, geht indirekt auf Albert Einstein zurück. Der fotovoltaische Effekt in Solarzellen nämlich ist nichts anderes als ein Sonderfall des fotoelektrischen Effekts, für den Einstein im Jahr 1922 den Physiknobelpreis erhielt. Statt komplett aus dem Material zu entweichen, sammeln sich die angeregten Elektronen in der Solarzelle lediglich in einem Bereich der Halbleiterdiode, während die zurückbleibenden Löcher in die entgegengesetzte Richtung wandern und so eine Spannung erzeugen. Derzeit macht Solarstrom zwar bloß wenige Prozent der globalen Energieversorgung aus; an entlegenen Orten ohne elektrische Infrastruktur jedoch sind Solarzellen eine der wenigen Möglichkeiten, zuverlässig elektrische Energie zu gewinnen.
Die eigene Position an der Erdoberfläche auf wenige Dezimeter genau bestimmen, und das an jedem beliebigen Ort der Welt – das geht nur mit Satelliten. Grundlage von Navigationsgeräten und hochpräzisen Kartenwerken ist die Raketentechnologie, für die seit Mitte des 20. Jahrhunderts Chemie, Metallurgie und Ingenieurwissenschaft Pate stehen. Doch hinter dem Mitte der 1980er Jahre in Betrieb genommenen Systeme steht nicht nur "rocket science", auch die Zeitmessung genügt höchsten Ansprüchen. Um die Entfernungen der Satelliten untereinander und zum Empfänger an der Oberfläche auf wenige Meter genau zu bestimmen, messen die Satelliten die Laufzeiten der Signale mit Zäsium-Atomuhren.
Atomuhren sind eigentlich normale Quarzuhren, allerdings mit einem entscheidenden Unterschied: Die Zäsiumatome in der Uhr absorbieren bei einer bestimmten Resonanzfrequenz Energie aus dem elektromagnetischen Feld des schwingenden Quarzkristalls, so dass er präzise auf ebenjener Frequenz eingestellt werden kann. Damit ist es allerdings im Fall des GPS noch nicht getan – Uhren gehen auf Satelliten im Orbit buchstäblich anders. Grund dafür sind relativistische Effekte – Satelliten bewegen sich sehr schnell relativ zum erdgebundenen Sender, und so tickt eine Uhr dort messbar langsamer. Die gekrümmte Raumzeit dagegen bewirkt das Gegenteil: Im Orbit, wo die Krümmung geringer ist, laufen sie schneller. Der kombinierte Gangunterschied zur Bodenstation beträgt etwa 39 Mikrosekunden. Für die Positionsbestimmung sind diese Unterschiede kein Problem, weil die Satelliten die Zeiten nur untereinander vergleichen. Damit man die GPS-Uhren aber als Zeitsignal verwenden kann, laufen sie etwa 39 Mikrosekunden pro Tag schneller, so dass keine Diskrepanz zur Erdoberfläche auftritt.
Nicht nur durch ständige Erreichbarkeit haben Handys den Alltag global drastisch verändert. In einigen Teilen der Welt dienen Mobilfunknetze längst nicht mehr allein der Kommunikation, sondern bilden, wie in vielen afrikanischen Staaten, eine Grundlage des Wirtschaftssystems. Daten zwischen nicht ortsfesten Telefonen auch bei Millionen Netzteilnehmern zuverlässig zu übertragen, stellt hohe Ansprüche an Informationstechnologie und Netzwerkarchitektur. Moderne Mobilfunknetze überdecken die Landschaft mit einander überlappenden Funkzellen. Jede von ihnen wird von einer zugehörigen Basisstation abgedeckt, die Funksignale mit den Mobilgeräten in ihrer Zelle austauscht. Die Basisstationen enthalten meist mehrere Sende- und Empfangseinrichtungen, die über unterschiedliche Frequenzen mit den Endgeräten kommunizieren können. Wann sich welche Basisstation mit welchem Mobiltelefon austauscht, bestimmt eine zwischengeschaltete Ebene von Kontrolleinrichtungen, die jeweils mehrere Basisstationen steuern. Diese Base Station Controller organisieren auch den so genannten Handover, den Übergang eines Geräts von einer Funkzelle in die andere. In der nächsthöheren Ebene, bei den Mobile-Services Switching Centers (MSC), gelangen die Daten dann in das Festnetz. Wo und wie das Empfangsgerät zu erreichen ist, fragt das System im übergeordneten Home-Location-Register ab.
Das Prinzip der hormonellen Verhütung stammt bereits aus den 1920er Jahren des 20. Jahrhunderts, aber erst die Chemiker Carl Djerassi und Louis Miramontes synthetisierten mit Norethindron das erste künstliche Gelbkörperhormon, das den Eisprung unterdrückt. Diese so genannten Gestagene sind Steroidhormone, und deren komplizierte chemische Struktur mit vier Ringen und sechs Stereozentren machte ihre Synthese zu einer schwierigen Aufgabe. 1960 wurde das erste Medikament auf Basis dieser Entdeckung zugelassen. Seither hat die orale Verhütung die Situation von Familien, aber insbesondere von Frauen in der Gesellschaft, drastisch verändert. Dass Schwangerschaft und Kinderzahl mit dem neuen Präparat kontrollierbar wurden, gibt Müttern und Vätern zuvor ungeahnten Freiraum nicht nur in Ausbildung und Beruf, sondern insgesamt bei der Lebensplanung.
Flachbildschirme finden sich heute zumindest in den Industrieländern in fast jedem Haushalt – sie sind bis auf Weiteres das universelle Darstellungsmedium der digitalen Welt geworden. Ohne Flüssigkristalle, die diese flachen und leichten Bildschirme erst ermöglichen, gäbe es kein mobiles Internet, keine Touchscreens und auch keine Großbildfernseher. Diese Anwendungen verdanken wir zwei besonderen Eigenschaften solcher Moleküle: Eine basiert darauf, dass sie sich verhalten wie eine Flüssigkeit, die zweite ist typisch für kristalline Festkörper. Zum einen nämlich können sich die Moleküle frei bewegen – und sich so bei Bedarf in einem Magnetfeld ausrichten. Zum anderen sind sie in dieser geordneten, kristallinen Anordnung doppelbrechend: Mit dem Übergang zur geordneten Phase verändert sich ihre Durchlässigkeit für polarisiertes Licht, und mit Hilfe gegeneinander gedrehter Polarisationsfilter kann man kleine Kammern mit Flüssigkristallen zwischen lichtdurchlässig und lichtundurchlässig hin- und herschalten. Dieses Prinzip steht hinter allen Flüssigkristallbildschirmen, angefangen von den Sieben-Segment-Anzeigen der ersten Taschenrechner bis hin zu den heutigen modernen Smartphones mit weit über einer Million farbiger Pixel.
Das wohl sichtbarste Ergebnis naturwissenschaftlicher Forschung sind die Kunststoffe. Chemisch gesehen umfasst diese als Plastik bezeichnete Werkstoffklasse alle klassischen organischen Polymere; sie bestehen aus kohlenstoffreichen Kettenmolekülen, zusammengesetzt aus einfachen chemischen Bausteinen. Plastik ist heute überall. Nicht nur weil es billig ist, sondern weil es so viele unterschiedliche Sorten mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt – sie sind hart oder weich, vertragen mal Hitze, mal aggressive Chemikalien, sind Dämmschäume für klimaneutrale Häuser, sterile Verpackungen für die Medizin oder Sprit sparende Autoreifen. Das Geheimnis dieser Vielfalt ist einfach, dass es sehr viele unterschiedliche Bausteine gibt, von denen jeder einzelne ein Material mit spezifischen Eigenschaften bildet. Einen Nachteil allerdings haben Kunststoffe: Sie entstehen heute noch fast ausschließlich aus Erdöl. Allerdings arbeiten Forschungsgruppen weltweit bereits an vergleichbaren Materialien aus natürlichen Quellen.
Die moderne Computertechnologie basiert auf der Möglichkeit, Millionen elektronische Bauelemente binnen kurzer Zeit auf kleinstem Raum zu einem Mikrochip zu vereinen. Ohne integrierte Schaltkreise bräuchte man selbst für die Rechenleistung eines Mobiltelefons eine Lagerhalle voller Transistoren – und eine zweite für die Kühlung. Grundlage dieser Technologie, dank der bis zu neun Millionen elektronische Bauteile auf einen Quadratmillimeter passen, sind einerseits die Halbleiter und andererseits das chemische Verfahren der Fotolithografie.
Elektrische Bauteile für logische Operationen gab es in Form von Röhren und Transistoren bereits zuvor, doch erst die Erkenntnis, dass Konstrukte aus Halbleitern die gleiche Funktion ausüben können, macht es möglich, solche Bauteile auf kleinstem Raum in eine Oberfläche einzubauen. Um derart kleine Strukturen herzustellen, ist allerdings chemisches Knowhow erforderlich: So genannte Fotolacke, die unter Licht aushärten, sowie Ätz- und Waschlösungen helfen, die Strukturen zu formen, aus denen der Mikrochip schichtweise aufgebaut ist.
Die bedeutendste Entdeckung der Medizin, dass Infektionen und speziell Wundinfektionen einfach bekämpft werden können, ist nur auf den ersten Blick ein glücklicher Zufallsfund. Tatsächlich stehen bereits hinter dem ersten dieser Medikamente Jahre harter Arbeit. Das zeigt sich schon darin, dass Alexander Fleming bei seinen Experimenten irgendwann nicht nur auf eine verschimmelte Kultur stieß, sondern daraus auch die richtigen Schlüsse zog. Wirklich etwas anfangen konnte er mit seiner Entdeckung aber nicht – die eigentliche Arbeit machten andere.
Zuerst einmal versuchte sich ein Team um den Australier Howard Walter Florey daran, das Penizillin in einer Menge zu gewinnen, die für die Medizin interessant wäre – eine Aufgabe, mit der Fleming als Mikrobiologe hoffnungslos überfordert war. Florey und sein Team von Chemikern benötigten drei Jahre, bis sie endlich 1941 genug Material für Versuche bereitstellen konnten. Trotz der beeindruckenden Erfolge dauerte es noch drei weitere Jahre, bis das neue Medikament in den USA großtechnisch produziert wurde. Heute bekämpft man mit Antibiotika nicht nur gewöhnliche Krankheiten, sondern verhindert auch Infektionen nach medizinischen und chirurgischen Eingriffen und bei Patienten, deren Immunsystem durch Krebs, andere schwere Krankheiten oder Transplantationen geschwächt ist.
Kaum eine wissenschaftliche Entwicklung hat so viele Menschenleben gerettet wie die Impfung. Die Impfung ist auch eines der besten Beispiele dafür, wie neu entwickelte Methoden eigentlich altbekannte Bestandteile des Alltags im Hintergrund völlig verändern. Die erste Impfung war tatsächlich noch eine im Wortsinn: Der Arzt Edward Jenner infizierte ab 1796 einige Patienten mit den harmlosen Kuhpocken, um die Immunität zu erzeugen. Doch schon bald gingen Louis Pasteur und Emile Roux dazu über, den Erreger selbst zu verwenden, inaktiviert durch einfache Trocknung – viele Impfstoffe entstanden auf diese Weise.
Ein anderes Verfahren verwendet abgeschwächte Viren, die sich in anderen ungeeigneten Wirten vermehren mussten – zum Beispiel auch der alljährliche Grippeimpfstoff. Zusätzlich enthalten Impfstoffe neben den Antigenen zusätzlich Hilfsstoffe wie Wirkverstärker und Konservierungsstoffe. Die neuesten Vakzine enthalten überhaupt keine Erreger mehr, sondern biotechnisch hergestellte Virusimitate. Es sind bloße Hohlkugeln, die sich aus künstlichen Virusproteinen zusammensetzen – hergestellt haben sie transgene Bakterien dank einer künstlich eingepflanzten Erbgutsequenz. Keine der dafür notwendigen Techniken hätten sich Jenner oder Pasteur auch nur im Traum ausmalen können.
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