Die Chancen standen noch nie so gut. Mehrere Tage lang sitzen in dieser Woche internationale Topwissenschaftler bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in Bonn mit deutschen Wissenschaftspolitikern zusammen. Im Rahmen der Exzellenzinitiative, die inzwischen Exzellenzstrategie heißt, diskutieren sie, welche Forschungsfelder der deutschen Universitäten international wettbewerbsfähig sind und zusätzlich gefördert werden sollen.

Erstmals könnte die Universität Hamburg in der vierten Runde des Elitewettbewerbs endlich das begehrte Gütesiegel "Exzellenzuniversität" bekommen. An diesem Donnerstag gibt die DFG bekannt, ob Hamburg die zweite der drei Hürden genommen hat: 88 Forschungsprojekte, sogenannte Exzellenzcluster, sind noch im Rennen, 45 bis 50 davon werden zur Förderung ausgewählt. Jede Universität, die mit zwei oder mehr Projekten vertreten ist, kann sich bis Dezember als Exzellenzuniversität bewerben.

Hamburg steht dabei ziemlich gut da: Bei der Vorauswahl der 88 aus insgesamt 200 Projekten hatte Hamburg vier seiner fünf Cluster durchsetzen können. Was sind das für Projekte? Woran arbeiten die Hamburger Spitzenforscher? Wir haben sie in den Tagen vor der endgültigen Auswahl besucht.

Den Ursprung aller Dinge verstehen

Wer den Anfang aller Dinge sucht, muss nach Bahrenfeld fahren. Im sechsten Stock eines schmucklosen 1960er-Jahre-Baus sitzt Jan Louis, 58, am Schreibtisch und malt mit einem Kugelschreiber Kreise und Punkte auf ein Stück Papier – Atome mit Atomkernen. In rasender Geschwindigkeit erklärt der Professor für Theoretische Physik, wie Forscher in den vergangenen 100 Jahren immer kleinere Bausteine der Welt entdeckt haben: Ausgehend vom Atombild der alten Griechen kamen sie Atomkernen, Elektronen, Protonen, Neutronen und Quarks auf die Spur. Mit Händen, Füßen, Zeichnungen und Bildern, die er spontan im Internet sucht, erklärt Louis, wie die Physik dadurch immer weiter in die Vergangenheit blicken konnte.

Exakt 0,0000000001 Sekunden sind die Wissenschaftler nun noch vom Anfang entfernt. Aber die Hürde, noch weiter vorzustoßen, ist hoch: weil die physikalischen Gesetze, wie wir sie heute kennen, vorher anders funktionierten. Wie? Was war, bevor war, was wir kennen? Das will Jan Louis herausfinden.

Die Physik ist traditionell stark in Hamburg. Seit den 1960er-Jahren erkunden – im Wesentlichen finanziert vom Bund – am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Bahrenfeld Wissenschaftler die Welt der kleinsten Teilchen. Jan Louis ist seit 15 Jahren Professor in Hamburg, fast ebenso lang hat sich der Forschungsbereich entwickelt, der nun das Label "exzellent" bekommen könnte. Seit 2006 arbeiten Louis und seine Kolleginnen und Kollegen in einem von der DFG finanzierten Sonderforschungsbereich. Ende Juni ist die Förderung ausgelaufen. Nun hoffen sie, ihre Forschung in einem Exzellenzcluster ausbauen zu können – von 150 auf bis zu 300 Forscher.

Für viele Physiker ist es eine Herausforderung, ihre Forschung allgemein verständlich zu erklären. Louis, der die Veranstaltungsreihe "Wissen vom Fass" mitorganisiert, bei der Wissenschaftler ihre Forschung in Kneipen erklären, hat sichtlich Spaß daran. Seit dem Urknall vor etwa 14 Milliarden Jahren, erklärt er, werde das Universum immer kälter und dehne sich immer weiter aus. Vom heutigen Standpunkt aus war das Universum früher also kleiner und heißer. Alle Materie war in ihre Grundbausteine verdampft. 0,00001 Sekunden nach dem Urknall entstanden Protonen, in den ersten Minuten bildeten sich leichte Atomkerne wie etwa Heliumkerne, ganze Atome konnten erst etwa 400.000 Jahre später entstehen.

Mit riesigen Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf versuchen die Forscher diese Zustände zu simulieren. Hamburger Forscherinnen und Forscher sind daran maßgeblich beteiligt. Sie haben in Bahrenfeld einen Kontrollraum mit Standleitung nach Genf, auf Monitoren können sie die Kollegen sehen und kommunizieren.

Zuletzt gab es in diesem Bereich zwei entscheidende Entdeckungen. 2012 wurde ein neues Elementarteilchen entdeckt, das Higgs-Teilchen, 2015 konnten erstmals Gravitationswellen nachgewiesen werden. Louis hofft, dass es den Hamburger Forschern irgendwann gelingt, damit bis zum Urknall zurückzuschauen. Außerdem träumen die Hamburger – wie Forscher weltweit – davon, erstmals dunkle Materie nachweisen zu können. Die Wissenschaftler wissen seit vielen Jahren, dass es sie geben muss. Nur gesehen hat sie noch niemand.

Klima, Klimawandel und Gesellschaft

Die Folgen des Klimawandels vorhersagen

Wenn Detlef Stammer aus dem Fenster schaut, kann er die Zukunft sehen. Gleich neben seinem Büro an der Bundesstraße in Eimsbüttel entsteht gerade das "Haus der Erde", in dem, wenn alles pünktlich fertig wird, seine Forschergruppen ab 2020 arbeiten werden. 2020, das ist ziemlich nahe Zukunft; die Zeitspannen, die Stammer eigentlich im Blick hat, haben ganz andere Dimensionen.

Stammer, 61, Professor für Ozeanografie, gehört zu den Hamburger Pionieren der Exzellenz. 2007 war das Cluster mit dem Namen "Integrated Climate System Analysis and Prediction", kurz CliSAP, das erste Hamburger Projekt, das bei der Exzellenzinitiative gefördert wurde. 2012 wurde die Förderung verlängert. Nun hoffen die Wissenschaftler, dass die DFG die Forschung weiter unterstützt.

"Climate, Climatic Change and Society" ist der Titel ihres Antrags – Klima, Klimawandel und Gesellschaft. Für die Gesellschaft ist Anita Engels zuständig. Engels, 49, Professorin für Soziologie, sitzt neben Stammer und schüttelt erst einmal den Kopf. Nein, neu sei die Gesellschaft im Cluster nicht, schon jetzt arbeiten Naturwissenschaftler und Sozialwissenschaftler hier eng zusammen – mit großem Erfolg. Auch wenn das am Anfang gar nicht so einfach war: Die Forscher mussten eine gemeinsame Sprache finden, Begriffe und Fachkulturen gegenseitig kennenlernen, um nicht aneinander vorbeizureden. Doch inzwischen, da sind sich Stammer und Engels einig, ist es gelungen, eine eigene Fachgemeinschaft aufzubauen.

Das Ziel der Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ist es, Klimaprognosen besser zu machen. Es soll nicht mehr nur darum gehen, welche Entwicklung nach den physikalischen Modellen theoretisch möglich ist. Sondern darum, welche tatsächlich plausibel ist – im gegebenen Rahmen der Klimadynamik, der Gesellschaft, der Wirtschaft, der internationalen Politik und des Rechts.

Dass es einen menschengemachten Klimawandel gibt, da sind sich die führenden Wissenschaftler seit vielen Jahren einig. Und doch passiert fast nichts, jedenfalls bei Weitem nicht genug, um die prognostizierten Folgen zu verhindern. Warum eigentlich nicht? Und wann denken die Verantwortlichen um? Solchen Fragen gehen die Wissenschaftler nach. Sie wollen in einer Langzeitstudie etwa 20 große Unternehmen in den fünf Ländern mit dem meisten Kohlendioxidausstoß beobachten. Wann nehmen die Firmen die Folgen des Klimawandels ernst? Wann und warum ändern sie ihre Strategie und reduzieren den Kohlendioxidausstoß, wann achten sie darauf, keine fossilen Energieträger mehr zu verschwenden?

Regelmäßig wollen die gut 300 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler um Stammer, Engels und ihren Kollegen Jochen Marotzke vom Max-Planck-Institut für Meteorologie künftig einen Hamburg Climate Futures Outlook veröffentlichen. Darin sollen die neuesten Prognosen der Natur- und Sozialwissenschaftler enthalten sein. Die Forscher versuchen etwa besser zu verstehen, wie sich die Wolken verändern und wie sich diese Änderungen auf das Klima auswirken, ein wesentlicher und bisher nicht gut verstandener Faktor in den Klimamodellen. In ihren Prognosen wollen sie zudem die Entwicklung der internationalen Politik einbeziehen. Wie könnten die politischen Interessen in internationalen Gremien aussehen, wenn das Eis in der Arktis schmilzt und dabei neue Rohstoffe freigesetzt werden? Und natürlich wollen sie auch die technologische Entwicklung im Blick behalten.

Menschen beeinflussen den Klimawandel, Menschen werden aber auch die Folgen zu spüren bekommen. Deswegen beschäftigen sich die Wissenschaftler mit den Auswirkungen des Klimawandels, die sich schon jetzt nicht mehr verhindern lassen – und mit der Frage, wie damit umgegangen werden kann. In Megastädten wie São Paulo etwa heizt sich die Luft schon heute stark auf; bei starkem Regen kann das Wasser nicht schnell genug abfließen; im Sommer gibt es Stromausfälle, weil die Energie für die Klimaanlagen nicht mehr ausreicht. Wie muss sich der Städtebau verändern? Wie viel Grün braucht eine Stadt, damit keine starken Hitze-Inseln entstehen? Können begrünte Fassaden helfen?

Auch für Hamburg haben die Wissenschaftler schon konkrete Prognosen ausgerechnet und politische Handlungsmöglichkeiten aufgezeigt. Die Klimaforschung hat eine lange Tradition in der Stadt, neben der Universität gibt es seit 1975 das Max-Planck-Institut für Meteorologie, seit 1988 stehen die Hochleistungsrechner des Deutschen Klimarechenzentrums hier. Beide Institutionen sind am Cluster beteiligt, genau wie die Küstenforscher vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht.

Von Tontafeln über Pergament bis zu Schriftrollen

Die Schriften der Welt sichern

Ein unscheinbarer weißer Zweckbau in der Warburgstraße in Rotherbaum. In Michael Friedrichs Büro türmen sich Bücher, der Schreibtisch ist randvoll mit Papierstapeln. Friedrich, 63, ist Sinologe, unter anderem Experte für chinesischen Buddhismus, er wirkt nicht wie jemand, der sich schnell aus der Ruhe bringen lässt. Und schon gar nicht wie jemand, der sich für seine Arbeit selbst loben würde.

Das übernehmen dafür andere. Friedrich ist Sprecher des von der DFG geförderten Sonderforschungsbereichs "Manuskriptkulturen in Asien, Afrika und Europa" – ein Bereich, der sich rasant entwickelt hat und inzwischen zu den Lieblingsprojekten von Universitätsleitung und Wissenschaftsbehörde gehört.

Die Anfänge liegen fast 15 Jahre zurück, im Jahr 2004. Damals taten sich erstmals Historiker, Sprachwissenschaftler und Literaturwissenschaftler zusammen, die sich mit Manuskripten beschäftigten. Daraus entstand 2008 eine von der DFG geförderte Forschergruppe, 2011 ein Sonderforschungsbereich. Seither haben die Forscher viele weitere Millionen an Fördergeldern eingeworben, unter anderem gleich zwei renommierte Projekte der EU. Die Bewerbung bei der Exzellenzinitiative, sagt Friedrich nüchtern, sei nur die logische Weiterentwicklung.

Auf knapp 200 Wissenschaftler aus 35 Disziplinen ist der Bereich inzwischen angewachsen, hier arbeiten Historiker, Philologen und Musikwissenschaftler, aber auch Informatiker, Materialwissenschaftler, Lebensmittelchemiker, Holzbiologen, Mineralogen und Physiker. Außer der Hamburger Universität sind unter anderen die Bundesanstalt für Materialforschung, die Technische Universität und die Universität der Bundeswehr beteiligt.

Wie man die alle zusammenbringt? Jedenfalls nicht über eine gemeinsame Theorie, sagt Friedrich. Der ganz unterschiedliche Blick aus den unterschiedlichen Disziplinen auf das gleiche Objekt sei das Spannende.

Objekt, das ist für Friedrich das wichtige Wort, weil es die Besonderheit des Hamburger Ansatzes ausmacht. Die Wissenschaftler fokussieren nicht allein auf den Inhalt, also etwa Texte und Bilder, sondern auf die Objekte, auf denen die Inhalte stehen. Ihnen rücken sie mit der geballten Kraft der Disziplinen zu Leibe, um sie zu erhalten und ihnen die Geheimnisse ihrer Geschichte zu entlocken.

Schon bisher haben die Forscherinnen und Forscher eine breite Definition von Manuskripten gewählt, für ihr Cluster "Understanding Written Artefacts" (zu Deutsch: Schriftartefakte verstehen) weiten sie ihr Forschungsgebiet noch einmal aus, auch auf Inschriften etwa. Die Forscher beschäftigen sich mit uralten Tontafeln aus dem Irak, Prozessakten aus dem alten China, Pergament, auf dem verschiedene Versionen des Korans stehen, Schriftrollen mit geheimem Wissen der Samurai, Propagandaschriften aus Westafrika im 19. Jahrhundert.

Welche Bedeutung hatte der Gegenstand in seiner Zeit? Wie wurde er produziert? Wie genutzt? Spielte er etwa in Ritualen eine Rolle? Es ist ein Unterschied, ob ein Text mit Gold oder mit Tinte geschrieben wurde, ob er auf ein Palmenblatt geritzt, in einen Stein gemeißelt oder auf Papier gemalt wurde. All das verrät etwas über die Gesellschaft, in der er entstanden ist.

Der Traum der Forscher ist es, die kulturelle Vielfalt zu erfassen und darin wiederkehrende Muster zu finden. Mit ihren Geräten können die Wissenschaftler inzwischen verborgene Schrift wieder sichtbar machen, sie analysieren DNA-Spuren wie Speichel und Schweiß oder blicken mit Röntgengeräten ins Innere von Keilschriftumschlägen aus Ton.

Die Expertise der Hamburger Forscher ist dabei mittlerweile weltweit gefragt. Als 2013 in Timbuktu etwa 300.000 Manuskripte vor der Zerstörung durch den IS gerettet werden mussten und nach Mali gebracht wurden, flogen Hamburger Forscher ein, um bei der Restaurierung und Archivierung der Schriften zu helfen.

Wenn der Cluster-Antrag erfolgreich ist, wollen sie außerdem noch ganz andere Fragen in den Blick nehmen: Wenn künftig nur noch auf Bildschirmen gelesen und geschrieben wird, wie verändert sich die Kulturtechnik durch die fehlende Haptik? Gleichzeitig versuchen sie, mithilfe von 3-D-Druck die Form und Haptik historischer Artefakte zu reproduzieren, um sie erlebbar zu machen.

Das Leben auf molekularer Ebene

Schnelle Bewegungen der Natur beobachten

Horst Weller kommt gerade von einem Treffen mit einem Start-up. Hamburger Forscher haben herausgefunden, dass Nanopartikel aus Rost helfen können, die Symptome von Multipler Sklerose zu lindern. Nun ist ein junges Hamburger Unternehmern dabei, diese Partikel für den klinischen Einsatz weiterzuentwickeln. Das ist kein Plan für die graue Zukunft, das ist schon fast Realität. Weller ist stolz darauf. Neben ihm sitzt Klaus Sengstock und wiegt den Kopf. Nicht, dass die angewandte Forschung den Grundlagenforschern wieder die Show stiehlt.

Weller, 63, Chemieprofessor, und Sengstock, 55, Physikprofessor, sind die Sprecher des Centre for Ultrafast Imaging (CUI). Seit 2012 ist der Forschungsbereich Exzellenzcluster, nun hoffen die gut 250 Forscher mit ihrem Antrag unter dem Titel "Advanced Imaging of Matter" (auf Deutsch so viel wie: fortschrittliche bildliche Erfassung von Materie) auf eine neue Runde im Exzellenzwettbewerb. Ihre Grundfrage: Wie bewegen sich die fundamentalen Bausteine der Natur?

In den vergangenen fünfzehn Jahren ist in Bahrenfeld durch Förderung des Bundes und internationaler Partner ein Forschungszentrum entstanden, das weltweit einmalig ist. Allein der im vergangenen Jahr in Betrieb genommene Hochleistungsröntgenlaser XFEL hat 1,2 Milliarden Euro gekostet. Mit zahlreichen weiteren Forschungslaboren können die Forscher in Hamburg kleinste und schnellste Prozesse beobachten.

Das Leben auf molekularer Ebene halten die Forscher dadurch in bewegten Bildern fest: Live beobachten sie die Bewegung von Atomen und Molekülen, schauen sich an, wie Elektronen sich durch ein Material bewegen. In ihren Laboren untersuchen die Wissenschaftler Prozesse, die gerade einmal ein Millionstel einer Milliardstelsekunde dauern und sich in Größen von weniger als einem Zehntausendstelmillimeter abspielen.

Die Forscher erhoffen sich dadurch Antworten auf einige fundamentale Fragen. Um etwa beurteilen zu können, ob ein Stoff Strom leiten kann oder nicht, reicht es nicht, sich die Atome, aus denen er besteht, statisch anzuschauen. Viele Funktionen entstehen erst dadurch, dass sich Atome bewegen. Welche? Und wie? Das versuchen die Forscher herauszufinden.

Die konkreten Felder und Anwendungen der Forschung aus Bahrenfeld sind nahezu verwirrend vielfältig. Die Hamburger Wissenschaftler haben etwa mit ihrer Methode den Erreger der Schlafkrankheit untersucht. Er verfügt über Proteine, also Eiweiße, die sehr ähnlich denen beim Menschen sind. Die Forscher haben herausgefunden, wie sich die Proteine von Mensch und Erreger unterscheiden. Möglicherweise können mit dieser Erkenntnis künftig Medikamente entwickelt werden, die den Erreger bekämpfen, ohne gleichzeitig den Menschen anzugreifen.

Ein anderer Traum der Forscher ist es, mithilfe ihrer Methoden Stoffe zu entwickeln, die verlustfrei Strom leiten, Supraleiter nennen die Wissenschaftler das. Wenn es ein Material gäbe, dass bei Zimmertemperatur Strom ohne Verlust leiten würde, könnte das viele Energieprobleme lösen. Bisher gibt es allerdings nur Materialien, die bei extrem niedrigen Temperaturen, kälter als minus 100 Grad, supraleitend sind. Warum der Strom in ihnen widerstandslos fließt, haben die Forscher bisher nur in Ansätzen verstanden. Vereinfacht ausgedrückt: Je zwei Elektronen tun sich zu einem Paar zusammen, dann gelingt es ihnen leichter, quasi durch die Materialien zu springen. Genau diesen Prozess versuchen die Forscherinnen und Forscher besser zu verstehen. Ihre Hoffnung: Wenn sie wissen, welche Eigenschaften eines Stoffes diese Leitfähigkeit hervorrufen, können sie in Zukunft möglicherweise Materialien entwickeln, die bei höheren Temperaturen verlustfrei Strom leiten.

Andere Forscher des Clusters arbeiten schon heute an synthetischen Molekülen, die aus 1000 und mehr Atomen bestehen, also deutlich größer sind als bisherige. Daraus könnten funktionalere Materialien für Solarzellen oder Sensoren entstehen – oder kleine Teilchen, die als Transportsysteme Wirkstoffe im Körper an ganz bestimmte Stellen bringen können. Wieder andere Experten experimentieren auch damit, wie sich mithilfe von Lasern einzelne Atome, Moleküle oder Elektronen steuern lassen. Sie arbeiten beispielsweise daran, wie man unter Ausnutzung der Drehrichtung von Elektronen, des Spins, superschnelle Computer und Verschlüsselungsverfahren der Zukunft entwickeln kann.

Von der Grundlagenforschung zur konkreten Anwendung, diese Bögen finden sich immer wieder im Cluster. Auch deswegen wird in Bahrenfeld viel investiert. 50 Forschergruppen gibt es in dem Cluster, Quantenphysiker, Röntgenphysiker, Laserphysiker, Strukturbiologen, Chemiker und einige Mediziner arbeiten hier zusammen. Sie sitzen in schicken Neubauten, rundherum sind Baustellen. Wie groß ihr Vorhaben noch werden wird – das entscheidet sich an diesem Donnerstag.