EC HT JETZT?! Wie fantastische Ideen die Wirklichkeit von morgen vorbereiten - NR. 2/2019 - ETH Zürich
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NR. 2/2019
ECHT
JETZT?!
Wie fantastische Ideen die
Wirklichkeit von morgen vorbereiten
SEITE 12
Das MINT-Lernzentrum Städtebau in Äthiopien Der ETH-Alumnus, der
feiert Geburtstag kann herausfordernd sein als Selbstversorger lebt
SEITE 32 SEITE 36 SEITE 46
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EDITORIAL
GLOBE
NR. 2/2019
In die ferne Zukunft denken
Science-Fiction an, durch die sich Auto-
rinnen und Autoren des Genres gerne
inspirieren lassen. Umgekehrt können auch
Forschende aus Science-Fiction-Werken
Anregungen beziehen. Was sie aber
produzieren und woran sie sich messen
lassen müssen, sind Fakten, die klar
definierte Prozesse durchlaufen und mit
wissenschaftlichen Methoden entstehen.
Diese Ausgabe des ETH-Magazins Globe
geht den Wechselwirkungen zwischen
Joël Mesot, Präsident der ETH Zürich Science-Fiction und Science Facts nach.
Was Sie in Beiträgen über Hirnschritt
macher, Leben auf fernen Planeten oder
Johannes Kepler gehört zu den Wegberei- Zeitreisen lesen, tönt heute noch wie
tern der modernen Naturwissenschaften. Science-Fiction, ist morgen aber vielleicht
Berühmt ist er für seine Keplerschen schon Realität.
Gesetze, in denen er unter anderem ent-
deckte, dass sich die Planeten auf ellip- PS: Besuchen Sie uns am Wochenende
tischen Bahnen um die Sonne bewegen. vom 30. August bis 1. September an
Weniger bekannt ist, dass Kepler 1608 der nächsten Scientifica von ETH und
eine fantastische Geschichte ersann, in der Universität Zürich zum Thema «Science
er träumt, dass Menschen mit Hilfe von Fiction – Science Facts».
Dämonen auf den Mond transportiert
werden. Die Geschichte gilt als einer der Ich wünsche Ihnen eine
ersten Science-Fiction-Romane und hat anregende Lektüre!
2019 einen besonderen Reiz, da wir das
50-Jahr-Jubiläum der ersten Mondlandung
begehen. In Kepler treffen sich gleichzeitig
wissenschaftliche Strenge und Imagination.
In die ferne Zukunft zu denken, verbindet
Forschende mit Science-Fiction-Autoren.
So muten gewisse Forschungsfragen wie
Globe, das Magazin der ETH Zürich und der ETH Alumni
Titel Illustration: Cornelia Gann; Collage: NASA / JPL-Caltech; Unsplash
Bilder Editorial: Markus Bertschi
INHALT
GLOBE
NR. 2/2019
NEW AND NOTED COMMUNITY
5 News aus der ETH Zürich 31 Verbunden mit der ETH
6 Treibstoff aus Sonne 32 Den Aha-Effekt kultivieren
und Luft Das MINT-Lernzentrum arbeitet
seit zehn Jahren daran, die
8 Sauberer Strom direkt Lernwirksamkeit zu steigern.
vom Nachbarn Den Strommarkt der Zukunft
erproben – Seite 8 35 Kolumne
FOKUS REPORTAGE
14 «Kann man den Computer 36 Architektur gegen die Landflucht
noch abstellen?» Ein Augenschein in Äthiopien
Ein KI-Forscher und zeigt, wie herausfordernd Städte-
ein Computerhistoriker bau sein kann.
geben Antwort.
18 Der Traum vom Leben CONNECTED
in anderen Welten 42 Begegnungen an der ETH
Warum nicht Mond oder Eines der ersten Gebäude der
Mars besiedeln? geplanten Modellstadt – Seite 36 44 Agenda
22 In den Tiefen des Gehirns
Können wir bald Hirn- PROFIL
erkrankungen ohne 46 Der Selbstversorger vom
Medikamente zu schlucken Balmeggberg
im Schlaf heilen? Anton Küchler lebt nach den
Prinzipien der Permakultur.
25 Und immer wieder spukt die Zeit
Die Zeit ist mess-, doch
fast nicht fassbar. Gibt es 5 FRAGEN
sie überhaupt? 50 Andrea Burden
«Oberstes Ziel ist es, das Leben
28 Abtauchen, um abzuheben der Patienten zu verbessern.»
Eine Drohne, die auch unter
Wasser fliegen kann?
IMPRESSUM — Herausgeber: ETH Alumni / ETH Zürich, ISSN 2235-7289 Redaktion: Martina Märki (Leitung), Roland Baumann,
Corinne Johannssen, Nicol Klenk, Karin Köchle, Florian Meyer, Corina Oertli, Peter Rüegg, Norbert Staub Mitarbeit: Andres Eberhard,
Claudia Hoffmann, Samuel Schlaefli, Andrea Schmits Inserateverwaltung: ETH Alumni Communications, globe@alumni.ethz.ch,
+41 44 632 51 24 Inseratemanagement: Fachmedien, Zürichsee Werbe AG, Stäfa, info@fachmedien.ch, +41 44 928 56 53
Gestaltung: Crafft Kommunikation AG, Zürich Druck, Korrektorat: Neidhart + Schön AG, Zürich Übersetzung: Burton, Van Iersel
& Whitney GmbH, München; Clare Bourne, Anna Focà, ETH Zürich Auflage: 38 900 deutsch, 31 600 englisch, viermal jährlich
Abonnement: CHF 20.– im Jahr (vier Ausgaben); in der Vollmitgliedschaft bei ETH Alumni enthalten Bestellungen und
Adressänderungen: globe@hk.ethz.ch bzw. für Alumni www.alumni.ethz.ch/myalumni Kontakt: www.ethz.ch/globe, globe@hk.ethz.ch,
+41 44 632 42 52 Kostenlose Tablet-Version.
Bilder: Quartierstrom; Samuel Schlaefli; Giulia Marthaler
NEW AND NOTED
Netzwerkforschung
VIREN EFFIZIENT
EINDÄMMEN
Viren, Kriminalität und andere Prob-
leme können sich über Netzwerke
ausbreiten. Forschende der ETH-
Professur für Computational Social
Science und des Informatikdepart-
ments haben einen Ansatz entwickelt,
wie man Netze kostengünstig schüt-
zen kann. So sollen im Beispiel der
Virenverbreitung nicht die weltgröss-
ten Flughafen-Hubs mit den meisten
Flugverbindungen geschlossen wer-
den – was naheliegend schiene –, son-
dern die mittelgrossen Flughäfen.
Dies wäre genauso wirksam, aber vier- Flughäfen bilden ein weltweites Netzwerk. ETH-Forscher haben gezeigt,
mal günstiger. wie man Viren kostengünstig daran hindern kann, sich darin zu verbreiten.
5
Materialwissenschaften Das Spezielle an der neuen Oberfläche: Lebensmittelwissenschaften
Normalerweise sind es dunkle Flächen,
FORSCHEN FÜR die Licht absorbieren und in Wärme WASSER, DAS
MEHR DURCHSICHT umwandeln. Die Forschenden haben
nun aber eine durchsichtige Fläche ge- NICHT GEFRIERT
schaffen, die dies ebenfalls kann. Der
Kommt man aus der Kälte an einen Vorteil gegenüber handelsüblichen An- Forschenden der ETH und der Uni-
Ort, an dem es wärmer und feuchter tifog-Sprays für Brillen ist ausserdem, versität Zürich ist es gelungen, zu ver-
ist, kann die Brille, das Foto-Objektiv dass die Beschichtung die Scheibe vier- hindern, dass Wasser selbst bei minus
oder die Windschutzscheibe beschla- mal schneller vom Beschlag befreit als 263 Grad Celsius gefriert. Dies ge-
gen. Materialwissenschaftler der ETH der Spray. lingt, wenn das Wasser in wenigen,
Zürich haben nun eine neue, durch- Die Wissenschaftler aus der Grup- Nanometer dünnen Kanälen aus Lipi-
sichtige Beschichtung entwickelt, die pe von ETH-Professor Dimos Poulika- den, sogenannten Lipid-Mesophasen,
das Beschlagen stark reduziert. Es kos möchten nun die neue Methode gefangen ist. Dort gibt es schlicht kei-
handelt sich um eine nur wenige Nano- zusammen mit einem Industriepart- nen Platz für die Eiskristallbildung.
meter dünne, dauerhafte Beschich- ner zur Marktreife bringen. Die Band-
tung aus Goldnanopartikeln, die in breite an möglichen Anwendungen ist
Titanoxid eingebettet sind. denn auch gross: Neben Autoscheiben
Die Beschichtung absorbiert Son- und Rückspiegeln eignet sich die Be-
nenlicht und wandelt es in Wärme um. schichtung dank der Unabhängigkeit
Dadurch heizt sich die Oberfläche um von Strom auch für Korrektur-, Ski-
bis zu vier Grad Celsius auf. Dieser und Taucherbrillen.
Temperaturunterschied vermindert
das Beschlagen. Modell der neuartigen Lipid-Mesophase
Bilder: Colourbox; Peter Rüegg ETH GLOBE 2/2019
NEW AND NOTED
6
ETH GLOBE 2/2019
NEW AND NOTED
Erneuerbare Energieträger
TREIBSTOFF AUS
SONNE UND LUFT
Zum ersten Mal weltweit kann flüssi-
ger Treibstoff in einem thermochemi-
schen Prozess ausschliesslich aus
konzentriertem Sonnenlicht und Um-
gebungsluft produziert werden. Aldo
Steinfeld, Professor für Erneuerbare
Energieträger, und seine Forschungs-
gruppe haben die Technologien ent-
wickelt und demonstrieren die ge-
samte Prozesskette jetzt unter realen
Bedingungen – eine komplette Mini-
Raffinerie für solare Treibstoffe auf
dem Dach des ETH-Maschinenlabo-
ratoriums.
Aus der Umgebungsluft werden
CO2 und Wasser gefiltert, woraus zwei
Hochtemperatur-Solarreaktoren ein
Synthesegas erzeugen. Die für die Re-
7
aktion benötigte Energie liefert ein
Parabolspiegel, der das Sonnenlicht
3000-mal konzentriert. Das Synthe-
segas wird anschliessend zu flüssigen
Treibstoffen wie Methanol oder Kero-
sin verarbeitet, die bei der Verbren-
nung nur so viel CO2 freigeben, wie
der Luft entnommen wurde.
Die am 19. Juni 2019 eingeweihte
Anlage markiert einen Meilenstein in
der Herstellung CO2-neutraler syn-
thetischer Treibstoffe, die bedeutend
sind für eine nachhaltige Luft- und
Schifffahrt. Die beiden ETH-Spin-offs
Climeworks und Synhelion entwickeln
die Technologien weiter und machen
sie marktfähig.
→ www.prec.ethz.ch
Bild: Alessandro Della Bella ETH GLOBE 2/2019
NEW AND NOTED
Projekt Quartierstrom
Sauberer Strom direkt
vom Nachbarn
Lässt sich der Absatz von lokal produziertem Solarstrom
steigern, wenn Haushalte ihn untereinander handeln dürfen?
Das Forschungsprojekt «Quartierstrom» erprobt in
Walenstadt ein Jahr lang den Strommarkt der Zukunft.
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Im Dezember 2018 fiel der Startschuss
zu einem schweizweit einzigartigen
Experiment: Im Quartier Schwemmi-
weg in Walenstadt haben sich 37 Haus-
halte zu einem lokalen Strommarkt
zusammengeschlossen. Besitzerinnen
8
und Besitzer von Photovoltaikanlagen
können ihren selbst erzeugten Strom
an die eigenen Nachbarn verkaufen,
ohne Umweg über den Energieversor-
ger. Haushalte ohne Solaranlage kön-
nen sauberen Strom aus nächster Nähe
beziehen. Den Preis bestimmen die
Teilnehmenden selbst, über Angebot
und Nachfrage.
Wenn Strom innerhalb des Quar-
tiers erzeugt und verteilt wird, muss
weniger von aussen bezogen werden. «Quartierstrom» im Rahmen eines ger verkaufen, der Strom fliesst ins öf-
Und der Stromhandel zwischen Haus- Pilot-, Demonstrations- und Leucht- fentliche Netz. Das Paradoxe: Physi-
halten bietet weitere Vorteile: «Zum turmprogramms. kalisch gesehen landet dieser Strom
Beispiel können Produzenten Preise bereits heute beim Nachbarn, da die
erzielen, die klar über dem Netzein- Anreiz für private Erzeuger Elektronen sich immer den kürzesten
speisetarif liegen, und so ihre Anlagen Im Projekt wird erprobt, wie der Weg suchen. «Der Markt bildet das
schneller amortisieren», sagt Sandro Strommarkt der Zukunft aussehen aber nicht ab», sagt Schopfer. Eine Be-
Schopfer vom Bits to Energy Lab der könnte. Denn die Energiewende bringt teiligung privater Produzenten am
ETH. Er leitet das Projekt «Quartier- eine zunehmende Dezentralisierung Handel könnte finanzielle Anreize set-
strom», an dem neben der Universität der Stromproduktion mit sich – weg zen und den Absatz von lokal erzeug-
St. Gallen und weiteren Partnern auch von zentralen Grosskraftwerken, hin ter, sauberer Energie fördern.
der lokale Energieversorger, das Was- zu vielen kleinen, oftmals privaten Ob das tatsächlich der Fall ist, soll
ser- und Elektrizitätswerk Walenstadt Erzeugern. «Diese haben heute kaum das Quartierstrom-Projekt zeigen. Von
beteiligt ist, das sein Verteilnetz für Möglichkeiten, ihren Strom frei zu den Teilnehmenden haben 28 eine ei-
den lokalen Handel während des Pilot- vermarkten», sagt Schopfer. Über- gene Solarstromanlage, neun sind rei-
versuchs zur Verfügung stellt. Das schüsse müssen sie in der Regel zum ne Konsumenten, darunter ein Alters-
Bundesamt für Energie unterstützt Einspeisetarif an den Energieversor- heim. Die Anlagen liefern jährlich rund
ETH GLOBE 2/2019 Bild: Quartierstrom
NEW AND NOTED
l im
Aktuel odcast
ETH-P
300 000 kWh Strom, der tatsächliche 2019 über 80 Prozent des produzier- Mission für den Mars
Bedarf der Gemeinschaft liegt bei etwa ten Solarstroms im Quartier selbst Die ETH-Forscherin Grace Crain denkt
250 000 kWh. Mehrere Batteriespei- verbraucht. Zum Vergleich: Ohne Zu- in galaktischen Dimensionen. Sie
cher dienen als Puffer. Speziell verbau- sammenschluss kann ein einzelner möchte ein Ökosystem entwickeln,
te Smartmeter – eine Variante des Haushalt nur etwa 30 Prozent seines das Astronauten in einer Raumstation
Low-Budget-Computers Raspberry Pi erzeugten Stroms selbst nutzen. oder Bewohner einer Mond- oder
– messen kontinuierlich Produktion Mars-Basis mit Essen, Trinkwasser
und Verbrauch der einzelnen Haushal- Energieversorger als Versicherer und sauberer Luft versorgen kann.
te. Eine eigens entwickelte Software, Doch trotz höherem Eigenversor- Weshalb sie ihre Pflanzen ausgerech-
die auf den Geräten installiert ist, gungsgrad ist das Quartier nach wie net mit menschlichem Urin und Kot
wickelt den Handel direkt vor Ort ab. vor auf den Energieversorger vor Ort düngt, erklärt sie im ETH-Podcast.
Dieser basiert auf der Blockchain- angewiesen. Dieser nimmt nicht nur
Technologie, die für fälschungssichere überschüssigen Strom ab, er liefert
Transaktionen innerhalb von Netz- auch welchen, wenn die Sonne nicht
werken genutzt wird. scheint und der Bedarf hoch ist. «In
diesem Szenario wird der Energiever-
Lukrativ für beide Seiten sorger zukünftig die Rolle eines Versi-
In einer App legen die Teilnehmenden cherers übernehmen», sagt Ableitner.
Preislimits fest: Produzenten ihren An- Sie ist davon überzeugt, dass der Wan-
gebotspreis, Konsumenten ihren Kauf- del im Strommarkt nicht aufzuhalten
preis. Ein Algorithmus ermittelt alle ist. Ebenso sehen es die Verantwort Faire Algorithmen
9
15 Minuten, wer von wem kaufen darf. lichen des Wasser- und Elektrizitäts- Die ETH-Forscherin Hoda Heidari
Dabei paart er jeweils den günstigsten werks Walenstadt, die für das Projekt und der ETH-Assistenzprofessor
Anbieter mit dem meistbietenden Käu- gewonnen werden konnten. Sie hoffen, Elliott Ash erzählen im Podcast von
fer. Wer keinen Handelspartner findet, Einblicke in neue Geschäftsmodelle zu den gigantischen Mengen an digitalen
kauft Strom vom Energieversorger erhalten und von Anfang an bei deren Spuren, die wir täglich hinterlassen.
zum ortsüblichen Tarif. Entwicklung mit dabei zu sein. Ausserdem sprechen sie darüber, wie
Die Preise des Quartierstrom- In einem nächsten Schritt werden Big Data die Welt und Wahrnehmung
Markts fluktuieren mit Angebot und die Forschenden untersuchen, wie Bat- verändert, weshalb die Politik diesem
Nachfrage. Die bisherigen Erfahrun- teriespeicher und flexibel einsetzbare Wandel noch hinterherhinkt und
gen zeigen, dass sie sich zwischen dem Lasten wie Wärmepumpen oder Elek- wie Algorithmen lernen können und
Einspeisetarif von 4 Rappen und dem troautos dazu genutzt werden können, dadurch fairer werden.
Strompreis des Energieversorgers von Produktionsschwankungen auszuglei-
20,75 Rappen pro kWh einpendeln. chen. «Das ist innerhalb einer Gemein- Kleine Schritte zum Frieden
«Das ist lukrativ, sowohl für Produ- schaft viel besser möglich als im einzel- Die Kenianerin Dekha Ibrahim Abdi
zenten als auch Konsumenten», sagt nen Haushalt», sagt Schopfer. Indem (†2011) bemühte sich mit Ausdauer
ETH-Doktorandin Liliane Ableitner, man überschüssigen Strom vor Ort und Herzblut um mehr Frieden in
die im Projekt Nutzerverhalten und speichert und später wieder nutzt, lässt Kriegsregionen. Ihr Prinzip: Kleine
Akzeptanz untersucht. Sie ist mit der sich zudem der Eigenversorgungsgrad Schritte auf lokaler Ebene, um Kon-
Beteiligung der Nutzer am Handel weiter steigern. «Unser Ziel ist, dass so flikte zu beseitigen. Im Podcast erzäh-
sehr zufrieden. «Viele loggen sich öfter wenig Strom wie möglich aus dem len der ETH-Friedensforscher Simon
als erwartet in die App ein.» Quartier fliesst.» — Claudia Hoffmann Mason und die Tochter von Dekha
Auch wenn detaillierte Ergebnisse Ibrahim Abdi von ihren Erfahrungen
erst nach Abschluss des Projekts im Zum Projekt: und weshalb sie sich für den Frieden
Januar 2020 vorliegen werden, zeigt → quartier-strom.ch einsetzen.
sich bereits: Durch den Handel steigt
der Eigenverbrauch innerhalb der Ge-
meinschaft. So wurden beispielsweise Mehr Informationen:
in den ersten beiden Februarwochen → www.ethz.ch/podcast
Bild: Jennifer Khakshouri ETH GLOBE 2/2019
NEW AND NOTED
Synthetische Biologie
AM COMPUTER
ERZEUGTES GENOM
Beat Christen, ETH-Professor für
experimentelle Systembiologie, und
Matthias Christen, Chemiker an der
ETH, entwickelten eine neue Metho-
de, welche die Herstellung von gros-
sen DNA-Molekülen mit vielen hun-
dert Genen enorm vereinfacht. Sie
erstellten damit weltweit das erste
komplett am Computer erzeugte Ge-
nom eines Lebewesens: Caulobacter
ethensis-2.0. Allerdings existiert bis-
her nur das Genom, einen dazugehö- C. ethensis-2.0 fusst auf dem Genom von Caulobacter crescentus, einem Bakterium,
rigen Organismus gibt es noch nicht. das weltweit in Gewässern vorkommt, unter anderem im Zürichsee.
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ETH GLOBE 2/2019 Bild: Science Photo Library / Martin OeggerliNEW AND NOTED
Klimaforschung es nun gelungen, die Senkenleistung
des Ozeans in einem Zeitraum von
CO2-SPEICHER 13 Jahren zu bestimmen. So nahmen
IM OZEAN die Weltmeere zwischen 1994 und
2007 insgesamt rund 34 Milliarden
Tonnen Kohlenstoff aus der Atmo-
Nicht alles Kohlendioxid (CO2), das sphäre auf. Dies entspricht rund einem
beim Verbrennen von fossilen Energie- Drittel der gesamten menschgemach-
trägern in die Luft gelangt, verbleibt in ten CO2-Emissionen in diesem Zeit- In Mikro-Gelkügelchen werden Stoffe
der Atmosphäre und trägt zur Erd raum. auf ihre antibiotische Wirkung getestet.
erwärmung bei. Die Weltmeere neh- Die Forschungsarbeit beinhaltete
men beachtliche Mengen der mensch- aufwändige Messungen der CO2-Kon-
gemachten CO2-Emissionen aus der zentration und anderer chemischer Mikrobiologie
Atmosphäre auf. Die Fragestellung, und physikalischer Grössen in den ver-
welche Menge an CO2 der Ozean genau schiedenen Meeren von der Oberflä- NEUE KANDIDATEN
FÜR ANTIBIOTIKA
aufnimmt, ist für die Klimaforschung che bis zum Meeresboden in teils bis zu
zentral. Denn ohne diese marine Koh- sechs Kilometern Tiefe. Diese tiefen
lenstoffsenke wäre die CO2-Konzent- Messungen waren nötig, weil das CO2,
ration in der Atmosphäre deutlich nachdem es sich im Oberflächenwasser Forschende aus der Gruppe von
höher und der menschgemachte Klima- löst, mit marinen Umwälzpumpen ver- ETH-Professor Sven Panke am De-
wandel entsprechend stärker. teilt wird: Meeresströmungen und Mi- partement für Biosysteme der ETH
11
Einem internationalen Team von schungsprozesse verfrachten das ge- Zürich in Basel haben eine Methode
Wissenschaftlern aus sieben Nationen löste CO2 von der Oberfläche bis tief in entwickelt, mit der sie schnell eine
unter der Leitung des ETH-Professors die Ozeanbecken, wo es sich über die grosse Anzahl an Molekülen auf ihre
für Umweltphysik Nicolas Gruber ist Zeit anreichert. antibiotische Wirkung testen kön-
nen. Während es heute bis zu einem
Jahr dauert, um 10 000 Wirkstoffpro-
duzenten zu testen, können mit der
neuen Methode innerhalb von weni-
gen Tagen Millionen von Varianten
untersucht werden.
Die potenziell antibiotisch wir-
kenden Stoffe werden dazu zusam-
men mit Sensorbakterien in Mikro-
Gelkügelchen eingebettet und so auf
ihre Wirkung getestet. Mit dieser
neuen Technologie ist es den ETH-
Wissenschaftlern gemeinsam mit nie-
derländischen und deutschen Kolle-
gen gelungen, eine Reihe neuer Anti-
biotika-Kandidaten zu identifizieren.
Die CO2-Konzentration im Ozean wird anhand von Probenflaschen Mehr Informationen zu diesen und
in einer Messrosette bestimmt. weiteren Forschungsnachrichten
aus der ETH Zürich finden Sie unter:
→ www.ethz.ch/news
Bilder: Nicolas Gruber; Steven Schmitt und Helena Shomar ETH GLOBE 2/2019FOKUS
SCIENCE
FIC TION
–
SCIENCE
FA C T S
Die Lust, Neues zu denken, eint Forschende und Science-
12
Fiction-Autoren. Doch während Science-Fiction-
Autoren Fantasiewelten bauen, prüfen Forschende ihre
Ideen streng an den Gesetzen der Wissenschaft.
Die Fokusartikel geben Einblick in Forschungsgebiete,
die wie Science-Fiction klingen, aber auf dem Weg
zur Realität sind. In der Bildserie verraten Forscherinnen
und Forscher, welche Science-Fiction-Geschichten
sie faszinieren und woran sie selbst gerade arbeiten.
Dabei verschmelzen beide Welten in den
Illustrationen von Cornelia Gann.
ETH GLOBE 2/2019FOKUS
Laura Corman – Physikerin an der
Professur für Quantenoptik
Mein Untersuchungsobjekt ist eine
winzige Atomwolke. Sie ist einen Drittel
Millimeter lang und nahe am absoluten
Temperaturnullpunkt. Ich spalte sie
in zwei Teile auf, die durch eine winzige
Verbindung, durch die die Atome fließen
können, in Kontakt bleiben. Indem wir
mit wechselnden Interaktionen, Ver-
bindungsformen usw. untersuchen, wie
sich dieser Fluss verändert, verbessern
wir unser Verständnis von Vielteilchen-
problemen.
13
ARRIVAL
Als Experimentatorin stelle
ich mir oft vor, was passieren
könnte, wenn ich einige Parameter in
meinem Setup änderte. In seinen Science-
Fiction-Erzählungen «Stories of Your Life
and Others» geht Ted Chiang erzäh-
lerisch ähnlich vor. Die Titel
geschichte wurde Grund-
lage für den Film
Arrival.
Collage: Quantum Optics Group; Annick Ramp ETH GLOBE 2/2019FOKUS
«DIE FRAGE IST KANN
MAN DEN COMPUTER
NOCH ABSTELLEN?»
Computer werden immer intelligenter und lernen immer öfter
von echten Menschen im Internet statt mit aufbereiteten Datensätzen.
Können Computer den Menschen bald übertrumpfen oder ist
das Science-Fiction? Ein KI-Forscher und ein Computerhistoriker
geben Antwort.
INTERVIEW Roland Baumann und Florian Meyer
14
L esen Sie Science-Fiction?
DAVID GUGERLI – Science-Fic
tion-Bücher im herkömmlichen
Sinn lese ich fast nie. Allerdings hat das
Meiste, was ich als Technikhistoriker
Selbstfahrende Autos sah man in Fil-
men schon lange bevor man die Tech-
nologie hatte, um solche Autos wirk-
lich zu bauen. Auch automatische
Spracherkennung und -übersetzung
nen, also komplexe Zusammenhänge
automatisch aus Daten zu erkennen.
GUGERLI – In der Computergeschich-
te wurde schon früh und viel von
künstlicher Intelligenz gesprochen,
in Archiven lese, durchaus Science-Fic- kommen in Science-Fiction-Filmen nicht selten mit grosser Aufregung.
tion-Qualität. Denn was Ingenieure schon lange vor. Heute sind sie dank Das Scheitern der künstlichen Intelli-
und Computerwissenschaftler über die KI-Technologien eine Realität. genz liegt sicher auch daran, dass sich
Zukunft schreiben, hat dort, wo es die Vorstellungen davon, was genuin
nicht trivial ist, ziemlich fiktiven Cha- Was verstehen Sie unter menschliche Intelligenz ist, verän-
rakter. künstlicher Intelligenz? dern. Seit Computer besser Schach
KRAUSE – KI umfasst verschiedene spielen können als Menschen, ist
Weshalb? Ansätze zur Lösung komplexer Auf Schachspiel nicht mehr fraglos eine
GUGERLI – Weil sich Randbedingun- gaben, die man typischerweise mit Frage der Intelligenz. Genauso wenig
gen der Gedankenexperimente zur Zu- menschlicher Intelligenz verbindet, wie schnelles Rechnen. Wer Quadrat-
kunft verändern. Auch solche, die für wie etwa Sprache verstehen oder wurzeln grosser Zahlen im Kopf be-
extrem stabil gehalten werden. Schach spielen. Es geht darum, dass rechnen kann, steht nicht unter Intelli-
Computer schwierige – meist mit Un- genzverdacht, sondern tritt in TV-
Der Autor Isaac Asimov schrieb bereits sicherheit behaftete – Aufgaben lösen Shows als kuriose Erscheinung auf.
in den 1940er Jahren über Maschinen können. Seit dem Computerpionier
mit künstlichen Gehirnen, also Roboter. Alan Turing, der künstliche Intelligenz Und an welchem Punkt der
Heute dringt «Künstliche Intelligenz» 1950 als Erster in seinem Artikel Entwicklung steht die KI heute?
(KI) mehr und mehr in die Realität vor. «Computing Machinery and Intelli- KRAUSE – Mit der Digitalisierung un-
Ist Science-Fiction eine Inspiration für gence» beschrieb, hat es verschiedene serer Gesellschaft werden die virtuelle
die KI? Interpretationen des Begriffs gegeben. und auch die physische Welt immer
ANDREAS KRAUSE – Die Inspiration Heute verbindet man damit ganz zent- besser beobachtbar. Rechenkapazität
kann aus der Science-Fiction kommen. ral die Fähigkeit von Maschinen zu ler- und Datenmengen sind exponentiell
ETH GLOBE 2/2019FOKUS
führender Forscher für maschinelles Lernen und adaptive Systeme.
und Co-Direktor des Swiss Data Science Center. Er ist ein weltweit
Andreas Krause – ist Professor für Informatik an der ETH Zürich
gewachsen. Diese Entwick- gen des Systems. Das ist eine wechsel-
lung hat das Potenzial der seitige Anpassung.
datengetriebenen Lernver-
fahren enorm vergrössert Herr Krause, Sie untersuchen auch,
und zu grossen Fortschritten wie Maschinen und Menschen zusam-
geführt. «Digitale Transfor- men an Aufgaben arbeiten, die beide
mation» oder «Industrie allein nicht lösen könnten. Wie funktio-
4.0» – es gibt kaum eine niert das Zusammenspiel von Mensch
Branche, die davon nicht be- und Maschine, wenn beide intelligent
troffen ist, und in vielen Be- Technologien nur implementieren las- und lernfähig sind?
reichen werden KI-Techno- sen, wenn sie anschlussfähig sind. Wo KRAUSE – Eine Kernfrage der KI ist es,
logien heute schon indust sie keinen Anschluss finden an wissen- wie Maschinen den Menschen optimal
riell eingesetzt. schaftliche Forschung, an industrielle unterstützen können. Da stellen sich
Verfahren, an Unterhaltungssysteme sehr spannende Fragen zum Beispiel
Wo ist die Technologie beson- oder an administrative Bedürfnisse, darüber, was die beste Kombination
ders verbreitet? sind sie wirkungslos. Dass es in der menschlicher und maschineller Intelli-
KRAUSE – KI-Technologien werden im Computergeschichte grosse qualitati- genz ist. Maschinen können vom Men-
Online-Marketing, im Internethandel ve Veränderungen gibt, will ich damit schen lernen, komplexe Muster zu er-
und für Empfehlungssysteme, wie zum nicht bestreiten. kennen. Sie können aber auch die
Beispiel von Büchern und Filmen, ein- Menschen beim Lernen und Entde-
gesetzt. Alltagsprodukte wie Smart- An welche Veränderungen denken Sie? cken unterstützen. Was können, um
15
phones oder Kameras verwenden die- GUGERLI – Die Komplexität von Soft- das Beispiel des Brettspiels Go zu er-
se Techniken. Aber auch in anderen ware-Umgebungen hat sich mit der wähnen, Menschen lernen, wenn eine
Schlüsselindustrien der Schweiz wie Zeit so stark erhöht, dass nur Maschi-
zum Beispiel dem Maschinenbau, nen in der Lage sind, die systemweiten
Pharma und Chemie, Medizintechnik Auswirkungen eines Updates oder ei- «In vielen Bereichen
oder dem Finanzwesen haben die nes neu installierten Moduls abzu- wird KI schon heute
KI-Techniken ein riesiges Potenzial. schätzen und adäquate Veränderungen
Etwa um neuartige Arzneien zu entwi- an anderen Programmteilen vorzu- industriell eingesetzt.»
ckeln oder um industrielle Abläufe und nehmen. Dass Maschinen den Nutzer
Andreas Krause
Prozesse zu verbessern. als Komponente des Systems behan-
deln oder dass Maschinen von Men-
Herr Gugerli, wie sehen Sie als schen unterstützt werden – und nicht künstliche Intelligenz neue Spielzüge
Technik- und Computerhistoriker umgekehrt –, sind weitere Beispiele entwickelt, die zuvor kein Mensch je
diese Entwicklung? Erleben wir eine für qualitative Veränderungen aus der gespielt hat? Wie kann eine Maschine
disruptive Entwicklung? Computergeschichte, die bis in die Ge- erklären, wie sie zu einer bestimmten
GUGERLI – Disruptiv ist ein ziemlich genwart hineinwirken. Entscheidung gekommen ist? Das sind
neuer Begriff und heisst vermutlich interessante Grundlagenfragen.
einfach «innovativer als innovativ», Zum Beispiel die Spracherkennung
präzedenzlos, noch nie dagewesen. der Smartphones? Sie sprechen das Computerprogramm
Schon Joseph Schumpeter, der Inno- GUGERLI – Genau. Jeder spricht die AlphaGo Zero an, das Furore machte,
vationstheoretiker der ersten Stunde, Wörter etwas anders aus, und die als es im Go professionelle Spitzen-
hat von der «kreativen Zerstörung» Spracherkennung kapiert das. Natür- spieler schlug.
der Innovation gesprochen. Das ist lich kann man da sagen, dass der KRAUSE – Ja. Das Spiel gilt als beson-
nicht unproblematisch. Bei Schumpe- Mensch das System trainiere, bis es die ders komplex, da es – etwa im Gegen-
ter braucht es dafür einen Unterneh- individuellen Eigenheiten der Aus- satz zu Schach – viel mehr verschiede-
mer, der aufgrund seiner Grösse und sprache des Nutzers aushalte. Aber ne Spielstellungen gibt und es schwie-
Macht alles verändern kann. Leicht man kann auch sagen, die User werden rig ist, Stellungen zu bewerten. Man
geht dabei vergessen, dass sich neue tolerant gegenüber den Anforderun- hat AlphaGo Zero trainiert, indem
Bild: Giulia Marthaler ETH GLOBE 2/2019FOKUS
Barbara Solenthaler – Senior Researcher
am Computer Graphics Lab
Heute leite ich am Computer Graphics Lab
der ETH Zürich die Forschung im Bereich
Simulation und Animation. Wir arbeiten
an neuen, robusten Simulationsmethoden
(zum Beispiel dieses Schiff im Wasser, in
Zusammenarbeit mit der Universität Frei-
burg) und verbinden Physikmodelle mit
Methoden der künstlichen Intelligenz.
THE
MATRIX
Der Film «The Matrix» er-
schien, als ich gerade mit meinem
Informatikstudium an der ETH begonnen
16
hatte. Die visuellen Effekte waren
zu jener Zeit revolutionär und
weckten mein Interesse
an der Computer-
grafik.
ETH GLOBE 2/2019FOKUS
ETH Zürich. 2018 erschien von ihm die Monografie «Wie die Welt
in den Computer kam. Zur Entstehung digitaler Wirklichkeit».
David Gugerli – ist Professor für Technikgeschichte an der
man das Programm gegen sich selbst Computer im Voraus ein be-
spielen liess. Es hat im Voraus keinerlei stimmtes Ziel setzt. Ein Bei-
Kenntnis von menschlichen Spielzü- spiel wäre die automatisierte
gen erhalten, sondern nur die Spielre- Suche nach unterschiedli-
geln. Das System testet, wie ein simu- chen, noch nicht bekannten
lierter Gegner auf die eigenen Züge Subtypen von Krankheiten,
reagiert, und kann so lernen, welches die möglicherweise eine per-
Spielverhalten gut ist und welches sonalisierte Behandlung er-
nicht. lauben. Beide Lernarten sind
GUGERLI – Die Entwicklungen rund in gewissem Sinn «passiv», Die Besatzung der Raumfähre Gemini
um AlphaGo Zero sind computerhisto- da menschliche Experten die IV hatte damit grosse Schwierigkeiten.
risch aufregend, weil hier eine Maschi- Daten vorgeben, aus denen Und erfahrenen Windows-Usern war
ne aus ihrem eigenen Verhalten, ihren die Maschine lernt. zwar immer klar, wo der Startknopf
eigenen Prozessen lernen kann. Wenn war, weil der in älteren Windows-Ver-
die Maschine damit dem Menschen als Gibt es auch aktive Lern sionen deutlich angeschrieben war.
Go-Spielerin überlegen wird, ist das verfahren? Beim Ausschalten des Laptops half
kaum ein Problem. Schliesslich fährt KRAUSE – AlphaGo Zero ist ein Bei- dagegen oft nur das Entfernen der Bat-
jedes Auto schneller, als ich gehen spiel für das «Reinforcement Lear- terie.
kann. Der Mensch-Maschine-Vergleich ning», eine Art «aktives» Lernen, bei
als Teil der anthropologischen und ge- dem das Lernverfahren aus den Konse- Gibt es auch übertriebene Erwartungen
sellschaftlichen Selbstvergewisserung quenzen selbst getroffener Entschei- an die künstliche Intelligenz?
17
ist nur so lange interessant, bis die dungen lernt. Bekannte Beispiele für KRAUSE – KI-Technologien werden im-
Maschine gewinnt. Dann werden die solche aktiven Lernverfahren sind mer besser darin, komplexe, aber spe-
Spielregeln anders formuliert. auch die Empfehlungssysteme für Bü- zialisierte Aufgaben zu lösen. Vo
cher und andere Produkte, die heute raussetzung ist, dass hinreichend viele
ein Rückgrat vieler Internetanwen- Daten von guter Qualität zur Verfü-
«Die Maschine, die dungen bilden. Diese Verfahren lernen gung stehen. Die Reinforcement-Lear-
Menschen beim Go daraus, wie die Benutzer auf die Emp-
fehlungen reagieren, ob sie zum Bei-
ning-Technologien funktionieren bis-
her vor allem da gut, wo man ein ge-
überlegen sein wird, spiel den Link anklicken und das Pro- naues Modell der Wirklichkeit hat.
ist kaum ein Problem.» dukt kaufen: also nicht anhand von im
Vorhinein ausgewählten Trainings
Beim Go-Spiel etwa weiss man, wie das
Spielbrett aussieht. Die Welt ist aber
David Gugerli daten, sondern durch Interaktion mit viel komplexer und lässt sich nur in be-
ihren Nutzern. grenztem Umfang simulieren. Hier
bestehen grosse Herausforderungen
Wie unterscheidet sich das Lernen eines Können Computer auch lernen, wie sie darin, mit Unsicherheit umzugehen
Computers von dem des Menschen? Menschen überlisten oder anlügen, wie und zuverlässige Entscheidungen zu
KRAUSE – Maschinelles Lernen hat Supercomputer HAL im Science-Fiction- treffen – Fragen, mit denen wir uns in
verschiedene Varianten. Am weitesten Film «2001 – A Space Odyssey»? unserer Forschungsgruppe auseinan-
verbreitet ist das überwachte Lernen, KRAUSE – Natürlich kann man im Sinn dersetzen. Absolut unklar ist auch, wie
das man als eine Imitation der mensch- der Science-Fiction über derlei Szena- wir Allgemeinwissen automatisieren
lichen Fähigkeit, Muster zu erkennen, rien nachdenken. Wenn man die ak und im Computer nachbilden können.
verstehen kann. Anhand eines Daten- tuellen Möglichkeiten der KI jedoch Bisher gibt es keine KI-Verfahren, die
satzes und klarer Ziele wird ein künst- realistisch betrachtet, sind wir in den im Stande sind, eine breite Palette von
liches neuronales Netz darin trainiert, nächsten Jahren weit davon entfernt, verschiedensten Aufgaben zu lösen, so
Tumore in Pathologie-Scans zu erken- dass diese Gefahr konkret besteht. wie wir Menschen das eben sehr gut
nen. Auch das unüberwachte Lernen GUGERLI – Vielleicht ist die entschei- können.
sucht nach Regelmässigkeiten in den dende Frage, ob man einen Computer,
Daten, jedoch ohne dass man dem wenn er emotional wird, abstellen kann.
Bild: zVg
Collage: iStock; Computer Graphics Lab; Giulia Marthaler ETH GLOBE 2/2019FOKUS
DER TRAUM ran ein Seismometer, das die Bewe-
gungen der Erdoberfläche aufzeichnet.
Die ETH Zürich hat die Elektronik für
das Gerät entwickelt und wertet nun
VOM LEBEN im Auftrag der Nasa die Daten aus.
Die Aktivitäten der ETH mit «In-
Sight Mars» leitet Domenico Giardini,
Professor für Seismologie und Geody-
IN ANDEREN namik an der ETH Zürich. «Es ist das
erste Mal, dass wir eine hochpräzise
Wetterstation für eine so lange Zeit auf
WELTEN
dem Mars haben», freut er sich. Nach
einem halben Jahr zieht er eine positive
Zwischenbilanz. «Das Seismometer
funktioniert einwandfrei, wir lernen
viel.» Bis dato habe das Gerät vier Er-
Fremde Planeten beflügeln unsere eignisse aufgezeichnet, die man noch
nicht verstehe. Ein registriertes Signal
Vorstellungskraft: Warum nicht Mond sei in einer Entfernung von wenigen
oder Mars besiedeln? Wo Fakten fehlen, hundert Kilometern zu lokalisieren,
die anderen kämen von weiter weg.
blüht die Fiktion. Nicht selten wird aus Weswegen das Seismometer aus-
Science-Fiction aber irgendwann Realität. geschlagen hat – etwa wegen eines Erd-
bebens, eines Meteoriteneinschlags,
TEXT Andres Eberhard eines Vulkanausbruchs oder aufgrund
starker Windstösse –, wissen die
ETH-Forscher noch nicht sicher. «Wir
18
forschen auf völlig neuem Terrain»,
sagt Giardini. Er vergleicht die Situati-
on mit jener von Wissenschaftlern
I
Mitte des 19. Jahrhunderts, als man
m Jahr 1608 schrieb der Astronom ten die ersten Menschen tatsächlich begann, die Vibrationen der Erdober-
und Mathematiker Johannes Kep- zum Mond – wenn auch in gasdichten fläche aufzuzeichnen. «Ereignete sich
ler einen Roman. Das Buch mit dem Schutzanzügen und ohne die Hilfe von in Japan ein Erdbeben, registrierten
Titel «Somnium» handelt von einem Dämonen. Was früher der Mond war europäische Forscher zwar die Vibrati-
Traum einer Reise zum Mond. Darin – eine neue, völlig unbekannte Welt onen, hatten aber keine Ahnung, wo-
schildern Dämonen detailgenau, wie und damit hervorragend geeignet für her sie kamen.»
sie Menschen innerhalb von vier Stun- Zukunftsträume aller Art –, ist heute Genauso schwierig ist es für die
den zum Mond bringen können. Die der Mars. Noch wird es einige Jahr- Wissenschaftler heute, herauszufin-
fiktive, fast märchenhafte Geschichte, zehnte dauern, bis die ersten Men- den, was die Signale auf dem Mars aus-
in der auch Hexen und Mondmen- schen den Mars betreten. Seit einiger gelöst hat. Denn seismische Wellen
schen vorkommen, gilt als einer der Zeit schon werten Forscher aber Daten breiten sich auf dem Roten Planeten
ersten Zukunftsromane überhaupt. von Raumsonden aus, um den Roten anders aus als auf der Erde. Erst muss
Kepler ist demnach nicht nur einer der Planeten besser zu verstehen. also geklärt sein, wie stark sich die
Begründer der modernen Naturwis- Wellen auf dem Weg von der Quelle
senschaften, sondern eben auch des Messungen auf dem Mars zum Messgerät verändern, bevor Be-
Genres der Science-Fiction. Am 26. November des letzten Jahres ben als solche erkannt werden können.
Zufall ist das nicht. Auch heute landete die Sonde von «InSight Mars», Derzeit gehen die ETH-Forscher da-
noch denken Wissenschaftlerinnen der Mission der amerikanischen Welt- von aus, dass es sich bei einem der vier
und Wissenschaftler über das, was raumagentur Nasa, erfolgreich auf registrierten Ereignisse um ein Mars
möglich ist, hinaus. Wahrscheinlich dem Mars. Ziel ist es, mehr über die beben gehandelt hat. «Überraschend
wird vieles von dem, was heute nach innere Struktur des Planeten und da- ist, dass das Signal eher einem Mond-
Science-Fiction klingt, in einigen Jah- mit über dessen Entstehung herauszu- als einem Erdbeben ähnelte», sagt
ren ganz normal sein. Dreieinhalb finden. Deshalb hat die Sonde mehrere Giardini. Dies könnte ein Indiz für eine
Jahrhunderte nach Keplers Traum reis- technische Geräte an Bord – allen vo Ähnlichkeit von Mars- und Mond-
Collage: Moviestore collection Ltd / Alamy Stock Photo;
ETH GLOBE 2/2019 Alexander Wollert, Daniela Domeisen; Giulia MarthalerDaniela Domeisen –
Assistenzprofessorin
am Institut für Atmosphäre
und Klima
Abrupte Klimaereignisse
können durchaus unser Wetter
bestimmen. Der im Bild der
Erdkugeln dargestellte Zusam-
menbruch des Polarwirbels in
der Stratosphäre kann unser
Winterwetter innerhalb weniger
Tage und für mehrere Wochen
lang unter den Gefrierpunkt
schicken, wie im Februar / März
2018. Wir erforschen gerade,
wie und ob sich die Häufigkeit
solcher Ereignisse mit dem
Klimawandel ändern könnte.
THE
DAY AFTER
TOMORROW
19
Der Film hat mitgeholfen, den Klima
wandel zu einem öffentlichen Thema zu
machen, trotz einiger wissenschaftlich
fragwürdiger Elemente. Dass der
Klimawandel nicht nur weit
weg und in ferner Zukunft
stattfindet, ist
eine wichtige
Aussage.
ETH GLOBE 2/2019FOKUS
SEIS (Seismic Experiment for Interior Structure) ist vorne links unter dem Schutzschild
Künstlerische Darstellung des InSight-Landers – Die Sensorik des Seismometers
abgebildet, die ETH-Elektronik liegt gut geschützt im Inneren des Landers.
kruste sein. Jedoch sind die Forschen- ihren Unterarm tätowiert hat. Der An-
den auf stärkere Beben angewiesen, satz des Films sei also sehr realistisch.
um diese These zu erhärten. «Schliesslich wäre es sehr ineffizient,
ständig Essen und Trinken auf den
Pflanzen für ferne Planeten Mars zu transportieren.» Trotzdem
Spricht man mit Giardini, wird eines seien Matt Damons Hollywood-Kar-
besonders deutlich: wie wenig gesi- toffeln leider ungeniessbar. «Mars-
chertes Wissen es über den Mars heute sand ist für Menschen giftig.»
gibt und wie enorm Aufwand und Kos- Noch ist die perfekte Formel nicht
ten sind, um mehr über die Beschaffen- gefunden, wie Urin und Kot für den
heit des Planeten zu erfahren. Dassel- Anbau von Pflanzen verwendet wer-
be gilt für die Gretchenfrage, ob es auf den können, die Nahrungsmittel pro-
dem Mars wirklich Spuren von Leben duzieren. Doch Crain und eine Reihe
gibt. Giardini geht davon aus, dass die- anderer Forscher sind der Lösung auf
se in spätestens zwei bis drei Jahrzehn- der Spur. «Wir müssen allerdings noch
ten geklärt sein wird. eine mentale Blockade überwinden,
Wo Fakten fehlen, blüht die Fik denn im Mittelalter starben viele Men-
tion. Längst spekulieren wir über die schen durch menschliche Fäkalien im
Reise zum Mars und darüber, wie wir Trinkwasser.» Durch die heutigen
den Planeten besiedeln könnten. Dazu technologischen Möglichkeiten müsse
trägt auch die Unterhaltungsindustrie sich jedoch niemand mehr um dieses
20
bei. Ein aktuelles Beispiel ist der Kino- Horrorszenario Sorgen machen.
film «Der Marsianer» (2015). Der Film In einem Gewächshaus am For-
handelt von einem auf dem Mars zu- schungszentrum Strickhof in Lindau
rückgebliebenen Astronauten, der sich prüft die Amerikanerin Tag für Tag,
dort durchschlagen muss, bis Hilfe welche Urin-Zusammensetzung die
kommt. Seine knappen Essensvorräte Pflanzen am besten gedeihen lässt. Der Ziel des interdisziplinären Studieren-
stockt der von Matt Damon gespielte Urin stammt von den Toiletten des denprojekts «Igluna» des Swiss Space
Astronaut auf, indem er Menschenkot ETH-Wasserforschungsinstituts Ea- Centers. Konkret soll ein Mondhabitat
mit Marserde mischt und so Kartoffeln wag. Das Eawag-Spinoff Vuna verar- simuliert werden. Studierende aus
anpflanzt. Wie realistisch ist dieses beitet ihn daraufhin zum Flüssigdün- ganz Europa erforschen, wie eine dau-
Hollywood-Szenario wirklich? ger Aurin. erhafte Unterkunft auf dem Mond aus-
Grace Crain ist ETH-Doktorandin Eine der grössten Schwierigkeiten sehen könnte und welche Technolo
im Rahmen des Projekts «Melissa» der sei, dass Urin viel Salz enthalte, was gien das Leben auf dem Mond ermög-
Europäischen Weltraumorganisation viele Pflanzen nicht mögen, erklärt lichen würden. Nun werden erste
ESA, das zum Ziel hat, Mond oder Crain. Der verwendeten Pflanze darf Komponenten, die Teil eines solchen
Mars – zumindest für Astronauten ei- nicht nur Salz nichts ausmachen, sie Habitats sein könnten, präsentiert. In
ner stationären Basis – bewohnbar zu muss auch effizient sein und das von einer Gletscherhöhle auf dem Klein
machen. Crains Kerngebiet ist «Space den Astronauten ausgeatmete CO2 in Matterhorn sowie im Dorfzentrum
Farming», also die Pflanzenzucht im Sauerstoff umwandeln können. Denn von Zermatt werden Projekte von ins-
Weltall. Sie untersucht, wie menschli- das Leben auf dem Mars kommt auf- gesamt 20 Teams aus neun europäi-
che Exkremente für unsere Ernährung grund der extremen Bedingungen nur schen Ländern zusammengeführt.
wiederverwertet werden können. in geschlossenen Räumen infrage. Die Einzelprojekte decken viele
«Länger auf einem fremden Planeten Derzeit experimentiert Crain mit der Bereiche ab, die es für das Leben auf
zu leben, wird uns nur durch Recycling Sojabohne. dem Mond braucht: so etwa die Gewin-
gelingen», sagt die Amerikanerin, die nung von sauberer Luft, Trinkwasser,
Tochter eines Astrophysikers ist, frü- Mondhabitat am Matterhorn Nahrung und Energie. Auch Technolo-
her selber gerne Science-Fiction-Bü- Eine stationäre Basis auf einem frem- gien, welche die Navigation erleichtern
cher las und sich das Sonnensystem auf den Planeten zu errichten, ist auch das oder das menschliche Wohlbefinden
ETH GLOBE 2/2019FOKUS
Weitere Informationen
Marsmission InSight:
→ www.insight.ethz.ch
Zur Forschung von Grace Crain:
→ www.plantnutrition.ethz.ch/
research/nutrients-processes
Erste Komponenten des Mond
habitats Igluna können derzeit in
Zermatt besichtigt werden. Inte
ressierte können das Habitat vom
17. Juni bis zum 3. Juli besuchen.
→ www.spacecenter.ch/igluna
Foto vom ETH-Seismometer – Das Gerät
21
registriert Signale auf dem Mars.
stärken, sind dabei. «Das Weltall ist für den Welten also vor allem
die Studierenden eine grosse Motivati- dabei, um auf unserem eige-
on und Inspira tion», sagt Tatiana nen Planeten zu überleben.
Benavides, Hub Managerin des Swiss Doch wer weiss schon, ob
Space Centers an der ETH, die das nicht doch irgendwann Men-
Projekt koordiniert. schen den Mars besiedeln –
Wann die ersten Menschen dauer- für kurze oder längere Zeit.
haft auf einer Station auf Mond oder Denn manchmal geht es schnell,
Mars leben werden, steht definitiv bis aus Science-Fiction Realität wird
noch in den Sternen. Doch dürften vie- und sie festgefahrene Denkmuster um-
le Technologien, die mit dem Ziel der stösst. Als Johannes Kepler Anfang des
Entdeckung fremder Planeten er- 17. Jahrhunderts im Buch «Somnium»
forscht werden, auch auf der Erde eine Reise zum Mond erträumte, ging
nützlich sein. So könnte beispielsweise es ihm vor allem darum, seine Leser
ein Dünger aus Urin, den ETH-Dokto- davon zu überzeugen, dass die Erde
randin Grace Crain für einen Einsatz nicht das Zentrum alles Menschlichen
im Weltall prüft, auch auf der Erde ver- und Göttlichen sei. Nur ein Jahr später
wendet werden. Wenn damit dereinst veröffentlichte er das Werk «Astrono-
chemische Dünger ersetzt werden mia Nova», das heute als einer der ers-
können, käme dies einer landwirt- ten wissenschaftlichen Beweise dafür
schaftlichen Revolution gleich. gilt, dass sich die Erde um die Sonne
Vielleicht hilft uns die romanti- dreht und nicht umgekehrt.
sche Vorstellung vom Leben in frem-
Bilder: Nasa / JPL-Caltech (2) ETH GLOBE 2/2019FOKUS
Noch Zukunftsvision – Mikrochips auf der Grosshirnrinde messen
Hirnaktivitäten und aktivieren gezielt notwendige Medikamente.
A uf dem Netz finden sich Videos,
deren Inhalte sich im Gedächtnis
festsetzen. Ein Mann sitzt mit einer
Fernsteuerung in der Hand auf dem
Sofa. Offensichtlich ist er an Parkinson
erkrankt: Seine Hände und Arme zit-
tern und beben. Dann hebt er die Fern-
steuerung an seine Brust, drückt einen
grauen Knopf – und das Zittern lässt
fast augenblicklich nach.
Was man auf dem Video nicht
sieht: Im Hirn des Betroffenen stecken
zwei Elektroden, die mit einem auf
IN DEN TIEFEN
Brusthöhe implantierten Schrittma-
cher verbunden sind. Auf Knopfdruck
sendet der Schrittmacher elektrische
Impulse in die Basalganglien, eine
DES GEHIRNS
Gruppe von Zellkernen, welche die Be-
wegungsplanung steuern. Die Stimu-
lation dieses bei Parkinson stark ge-
störten Hirnareals stoppt die starken
22
motorischen Störungen fast schlagar-
tig. Es ist geradezu gespenstisch. ETH-Forscher nutzen Stimulationen des
«Tiefe Hirnstimulation bei Par-
kinson ist wohl einer der grössten Er- Hirns, um die Folgen von Stress zu erforschen,
folge der Neurowissenschaften», sagt aber auch, um neue Therapien dagegen zu
Johannes Bohacek, Assistenzprofessor
am Institut für Neurowissenschaften entwickeln. Vielleicht wird es dereinst sogar
der ETH Zürich. Auch bei Depressio- möglich, Hirnerkrankungen ohne Pillen
nen setzen Wissenschaftler Hirnsti-
mulation experimentell ein, doch ein buchstäblich im Schlaf zu heilen.
Grossteil dieser Forschung steckt noch
TEXT Peter Rüegg
in den Kinderschuhen. Einiges mutet
mitunter wie Science-Fiction an.
Mit Viren ins Hirn
Johannes Bohacek selbst nutzt Hirn- Bohacek vereinfacht daher, indem er den, zu klein und zu schwer erreich-
stimulationen zur Erforschung von sich auf Einzelteile konzentriert; zur- bar», sagt Bohacek. Ein überaktiver
Stress und dessen Folgen für den Orga- zeit auf das noradrenerge System, das Locus caeruleus liegt gewissen Angst-
nismus. «Akuter und chronischer bei Stress eine zentrale Rolle spielt. In und Panikstörungen zugrunde. Darum
Stress sind Risikofaktoren für psychi- akuten Stresssituationen, zum Beispiel sind viele Forscher und die Pharma
sche Erkrankungen», sagt der Neuro- dann, wenn plötzlich ein Feueralarm branche stark daran interessiert, seine
wissenschftler. Doch Stressreaktionen losgeht, wird das Gehirn mit Norad- Funktionen besser zu verstehen.
zu ergründen, sei sehr kompliziert, renalin überflutet. Dafür zuständig ist Um gezielt untersuchen zu kön-
weil sich Stress auf den gesamten Kör- ein einziges, winziges Hirnareal, der nen, was sich in diesem Hirnareal bei
per auswirke und viele Organe und Bo- Locus caeruleus. Er liegt wie eine Nadel Stress abspielt, verändert der ETH-
tenstoffe involviere. «Das erschwert im Heuhaufen tief im Hirnstamm ver- Professor mit Hilfe von Viren gezielt
es, das Phänomen Stress gezielt zu un- borgen. «Er ist für Sonden, wie sie zur Nervenzellen des Locus caeruleus.
tersuchen.» tiefen Hirnstimulation genutzt wer- Dazu arbeitet er mit einer speziellen
ETH GLOBE 2/2019 Illustration: Jemère Ruby nach dem Konzept von Mehmet Fatih YanikFOKUS
Mauslinie, die das Virus in den Locus Das ist allerdings wenig spezifisch, Dort ballen sich die Partikel für einen
caeruleus zwingt. Das Virus sorgt da- denn die Zielmoleküle kommen oft im kurzen Moment zusammen und setzen
für, dass sich auf der Oberfläche der gesamten Gehirn oder sogar im übri- die Wirkstoffe frei. Auf diese Weise re-
Nervenzellen ein künstlicher Rezeptor gen Körper vor, nicht nur in den Hirn gulieren sie hochkonzentriert und äus-
(Empfängermolekül) ausbildet. arealen, die man mit dem Medikament serst gezielt die aus dem Lot geratenen
Die Forscher verabreichen dann beeinflussen möchte. Hirnschaltkreise.
den Mäusen eine Substanz, die sich mit Yanik hat deshalb eine andere Vor- Von der Realisation eines solchen
diesen Rezeptoren verbindet, damit stellung davon, wie die Therapie von Systems ist er zwar noch Jahrzehnte
die betreffenden Neuronen erregt wer- Hirnerkrankungen in Zukunft ausse- entfernt, doch einzelne Puzzleteile
den und die Ausschüttung von Nordad- hen könnte. «Das ist im Moment eine werden derzeit intensiv erforscht und
renalin bewirkt wird, ohne dass vor- reine Vision», schmunzelt er. Aber ei- an Tieren erprobt. Beispielsweise die
gängig das gesamte Stresssystem akti- mit fokussiertem Ultraschall freige-
viert werden musste. So können setzten Wirkstoffe. Yanik und seine
Bohacek und sein Team klären, was «Tiefe Hirnstimulation Mitarbeitenden haben es vor Kurzem
daraufhin im gesamten Gehirn abläuft.
Von solchen Versuchen erhofft
bei Parkinson ist geschafft, mit schwachen Ultraschall-
wellen Mikropartikel in definierten
sich der Neurowissenschaftler, die Ur- wohl einer der grössten Hirnarealen der Ratte zu konzentrie-
sachen von Stresserkrankungen besser
zu verstehen. «Um griffigere Thera
Erfolge der Neuro ren, zu öffnen und deren Ladung – be-
reits für klinische Anwendungen zuge-
pien entwickeln zu können, müssen wissenschaften.» lassene Wirkstoffe – freizusetzen. Ya-
wir erst die molekularen Stressmecha- niks Team hat zudem einen neuartigen
23
nismen besser kennenlernen. Ein Johannes Bohacek Algorithmus entwickelt, um im Tier-
spannender Ansatz wäre es, die Erreg- modell krankhafte Hirnaktivitätsmus-
barkeit des Locus caeruleus mit ähnli- ter zu identifizieren und die entspre-
chen Methoden wie der Hirnstimula gentlich ist es ihm ernst damit. Jüngst chende Erkrankung zu behandeln.
tion zu drosseln», erklärt Bohacek. bewarb er sich mit diesem Projekt er- Bleibt die Frage: Braucht die
«Ob und wann diese Techniken Einzug folgreich für Forschungsgelder von Menschheit wirklich ein derartiges
in die klinische Realität finden werden, der EU. Science-Fiction-Szenario zur Heilung
muss sich weisen.» Seine Idee: Eine Person liegt im von Gehirnerkrankungen? Yanik ist
Bett, den Kopf auf das Kissen gelegt, davon überzeugt: «Existierende The-
Hirn-Maschinen-Schnittstelle das drahtlos mit Mikrochips kommu- rapien genügen nicht. Vierzig der
Neue Therapien für Hirnerkrankun- niziert, die auf der Grosshirnrinde schwersten Hirnerkrankungen sind
gen stehen auch bei Mehmet Fatih Ya- platziert sind. Während der Mensch nach wie vor nicht therapierbar. Heute
nik zuoberst auf der Traktandenliste. schläft, übermitteln tausende von win- schlucken wir Pillen gegen psychische
«Wir arbeiten an neuen Technologien, zigen Elektroden hochaufgelöste In- Erkrankungen oder es kommen bes-
um Netzwerk-Fehlfunktionen bei Hirn- formationen über die Aktivität einzel- tenfalls elektromagnetische Strahlung
erkrankungen zu korrigieren. Solche ner Nervenzellen an die Chips. Diese oder Ultraschall zum Einsatz. Das ist
Fehlfunktionen liegen Erkrankungen berechnen, ob die Hirnschaltkreise ungefähr so wirksam, wie wenn man
wie Depression, Schizophrenie oder normal funktionieren oder ob sie pa- einen Supercomputer mit einem Ham-
Autismus zugrunde», sagt der Profes- thologische Muster aufweisen und eine mer reparieren wollte.»
sor für Neurotechnologie am Institut therapeutische Intervention notwen-
für Neuroinformatik der ETH und der dig wird.
Universität Zürich. Ein an den Blutkreislauf ange- Zur Stressforschung von Johannes Bohacek:
Gehirnerkrankungen werden nach schlossenes Implantat gibt dann mit → www.bohaceklab.ethz.ch
wie vor meistens mit Pillen behandelt. Wirkstoffen beladene Mikropartikel
Dabei bindet sich ein Wirkstoff an das ab. Die Mikrochips aktivieren darauf- Zur Forschung von Mehmet Fatih Yanik:
passende Zielmolekül in der Nerven- hin weitere Module, die Ultraschall- → www.neurotechnology.ethz.ch
zelle und löst dadurch eine biochemi- wellen erzeugen und sich auf eine be-
sche Signalkaskade in der Zelle aus. stimmte Stelle des Gehirns richten.
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