Vom Quantencomputer bis zu neuen Impfstoffen: Was in den 2020er Jahren an Durchbrüchen zu erwarten ist
Von der Raumfahrt über Medizin und Klimaforschung bis zu den Digital Humanities: Was könnte in der Wissenschaft in den 2020er Jahren an Durchbrüchen kommen?
In der Wissenschaft kommen die größten Erkenntnisse unverhofft. Doch so manches bahnt sich über viele Jahre fleißigen Forschens an.
Und so lässt sich erahnen, was in den 2020ern Neues kommen wird - wir schauen voraus, welche Durchbrüche es in der Wissenschaft in den 2020er Jahren geben könnte.
Auf dem Weg ins Zeitalter der Quantencomputer
Das Thema: Im Jahr 2012 prägte der theoretische Physiker John Preskill vom California Institute of Technology den Begriff „Quantenüberlegenheit“. Diese sei dann erreicht, wenn ein Quantencomputer eine Aufgabe lösen kann, an der klassische Computer scheitern.
Während diese mit Bits rechnen, die entweder den Wert null oder eins annehmen können, rechnen Quantencomputer mit sogenannten Qubits. Sie können beide Werte gleichzeitig annehmen und so eine Vielzahl möglicher Lösungen parallel durchrechnen, bis sie sich schließlich auf einen Wert festlegen. Die Schwierigkeit dabei ist: So ein Quantencomputer arbeitet nur zuverlässig, wenn man ihn fast komplett von der Außenwelt abschirmt. Gleichzeitig muss man das System aber von außen steuern können und die einzelnen Qubits müssen miteinander interagieren.
Jahrelang bissen sich Forscher daran die Zähne aus. Bis im Oktober ein Team von Google Erfolg vermeldete. Ein von ihnen entwickelter Quantencomputer mit 53 Qubits habe in 200 Sekunden eine Aufgabe gelöst, für die ein „konventioneller“ Supercomputer Tausende von Jahren bräuchte. Forscher gehen nun davon aus, dass damit die Ära des Quantencomputers beginnt. „Nun, da wir wissen, dass die Technik funktioniert, können wir mit der Suche nach nützlichen Anwendungen beginnen“, schreibt John Preskill in einer Kolumne für das „Quanta Magazine“.
Das könnte kommen: Der Wettlauf um praktisch einsetzbare Quantencomputer hat begonnen – und neben Google, IBM und Intel mischt auch die EU mit: Im Rahmen des Projekts „OpenSuperQ“ soll am Forschungszentrum Jülich bis Ende 2021 ein Quantencomputer mit bis zu 100 Qubits gebaut werden. Wie sich Quantencomputer in den kommenden Jahren entwickeln werden, sei schwer abzuschätzen, sagte Frank Wilhelm-Mauch, Physiker der Universität des Saarlandes und Koordinator des EU-Projekts, dem Tagesspiegel. Er sei aber optimistisch, dass sie in zehn Jahren in verschiedenen Bereichen regelmäßig eingesetzt werden, etwa „in der Entwicklung neuer Chemikalien und Materialien“, aber auch neuer Medikamente.
„Wir werden wohl nicht direkt mit Quantencomputern arbeiten“, sagt der Physiker. „Aber wir werden von Quantencomputern entwickelte Materialien nutzen und Cloud-Dienstleistungen in Anspruch nehmen, hinter deren Rechenleistung hier und da Quantencomputer stecken.“
Voraussetzung dafür ist möglichst fehlerfreies Rechnen. Bei Googles Experiment lag die Fehlerquote noch bei etwa einem halben Prozent. Für konkrete Anwendungen müsse diese Rate deutlich reduziert werden, sagt Wilhelm-Mauch. Und die Maschinen müssen größer als ein paar Dutzend Qubits werden. Um etwa aktuelle Verschlüsselungsverfahren zu knacken, bräuchte es eine Milliarde Qubits.
Neue Impfstoffe gegen gefährliche Viren
Das Thema: Noch immer sterben jedes Jahr Millionen Menschen weltweit an Infektionskrankheiten. Vier davon könnten im Laufe der nächsten Dekade ausgerottet oder zumindest endlich kontrollierbarer werden: Polio, Masern, Influenza und HIV.
Polio hätte eigentlich schon bis 2016 verschwunden sein sollen, so das Ziel der Weltgesundheitsorganisation WHO. Doch aus Afghanistan und Pakistan wurden 2019 noch immer rund 100 Fälle von Kinderlähmung gemeldet. Durchaus ausrottbar wären mit entsprechenden Impfkampagnen auch die Masern – obwohl 2018 weltweit noch 140.000 Menschen, meist Kinder, daran starben.
Viel weiter entfernt von einer wirksamen Kontrolle ist man bei der Influenza-Grippe, der jährlich etwa 650.000 Menschen erliegen. Die bisherigen Impfstoffe decken nicht alle Varianten der sich stetig wandelnden Grippe-Viren ab, doch ein universeller Impfstoff ist in der Entwicklung. Noch schwieriger wird die Eindämmung von HIV mit neuen Impfstoffen: Noch sind 37 Millionen Menschen weltweit infiziert, jedes Jahr sterben eine Million an den Folgen von Aids.
Das könnte kommen: In der nächsten Dekade könnte erstmals ein Impfstoff gegen HIV auf den Markt kommen. Verschiedene Kandidaten werden derzeit in klinischen Studien getestet. Selbst wenn einer davon nur 70-prozentige Wirksamkeit hätte, ließen sich die für 2070 prognostizierten 1,6 Millionen Neuinfektionen auf 250.000 pro Jahr senken.
Auch gegen die Influenza könnte künftig ein Impfstoff schützen, der gegen alle Virusstämme wirkt, weil er Teile der Erreger enthält, die in allen Virusvarianten vorkommen. Versuche an Mäusen sind vielversprechend verlaufen, ob sie Menschen schützen, wird sich in den 2020ern zeigen. Gegen Polio und Masern existieren längst wirksame Impfstoffe. Sie müssten nur konsequent eingesetzt werden, was man über Impfprogramme und -aufklärung zu erreichen versucht.
Das dafür nötige Geld ist da – Ende November haben Geberländer und private Spender wie Bill Gates 2,6 Milliarden Dollar für die Ausrottung von Polio bis 2023 bereitgestellt. Es wäre „magisch“, wenn Kinder keine Lähmungen mehr erleiden müssten, sagte Gates dem Tagesspiegel.
Mit CO2 bauen
Das Thema: Kohlenstoffdioxid (CO2) trägt als Treibhausgas beträchtlich zur Erderwärmung bei. Um den Klimawandel zu bremsen, muss nicht nur die Energiebranche fossile Kohlenstoffträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas vermeiden, sondern auch die Industrie, die daraus Kunststoffe, Chemiefasern und mehr fertigt. Denn letztlich tragen diese Produkte ebenfalls zu CO2-Emissionen bei, wenn sie verrotten oder verbrannt werden.
Warum also nicht den Kohlenstoff (C) aus dem unerwünschten CO2 gewinnen? Weil das in der Praxis noch sehr schlecht funktioniert, da der Prozess sehr viel Energie benötigt. Bislang lohnte es sich also nicht, CO2 zu „knacken“ und als Rohstoff zu nutzen. Doch das könnte sich nun ändern.
Das könnte kommen: Um Sauerstoff vom Kohlenstoff loszureißen, forschen Chemiker an Katalysatoren, die den Energiebedarf für eine chemische Reaktion reduzieren und in die gewünschte Richtung lenken. So lässt sich etwa aus Kohlendioxid und Wasserstoff Ameisensäure herstellen, wenn man einen Katalysator nutzt, der ein Atom des Edelmetalls Rhodium enthält.
Auch für die Herstellung von Methanol aus CO2 haben Forscher bereits Katalysatoren gefunden. Mitunter lässt sich CO2 auch direkt verwerten, etwa indem es in das molekulare Gerüst von Schaumstoffen eingebaut wird. Ein solches Verfahren wird bereits für die Produktion von Matratzen und Bodenbelägen in Sportstätten genutzt.
Der Großteil der Chemie arbeitet aber noch immer „fossil“. Doch hier werde sich in der nächsten Dekade viel ändern, sagt Walter Leitner, Direktor am Max-Planck-Institut für chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr. „Etliche Verfahren, die CO2 nutzen, sind bereits so weit, dass sie im Industriemaßstab eingesetzt werden können.“
Kulturen digital neu erschließen
Das Thema: Wer steckt eigentlich hinter diesem Werk? Diese Frage stellten sich viele, als vor einigen Jahren ein Krimi eines anonymen Autors in Großbritannien Aufsehen erregte. Ein Literaturwissenschaftler glich per Computer den Krimi mit Textpassagen berühmter Gegenwartsautoren ab – und kam zu dem Ergebnis: Mit großer Wahrscheinlichkeit muss es Joanne K. Rowling sein, die das Harry-Potter-Universum schuf. Und tatsächlich: So war es auch.
Eine kleine Anekdote, die zeigt: Mit digitalen Hilfsmitteln operieren längst auch Geisteswissenschaftlerinnen und Geisteswissenschaftler, die „Digital Humanities“ sind zu einem eigenen großen Gebiet geworden. Doch wie schlau sind diese wirklich? Was lässt sich mithilfe von Datenbanken und digitalen Programmen neu erforschen, wird Kulturgeschichte tatsächlich neu geschrieben – oder werden ihr nur neue Details hinzugefügt?
Das könnte kommen: Wie sehr der Einsatz digitaler Methoden in den Geisteswissenschaften geradezu neue Welten erschließen kann, macht der Computerphilologe Christoph Schöch von der Uni Trier am Beispiel der Literaturwissenschaft klar: „Wir haben die Möglichkeit, den Kanon der etablierten Autoren zu überschreiten.“
So werden schon jetzt Textgattungen jenseits der Hochliteratur viel umfassender als früher analysiert und mit anderen Textbeständen verglichen. Schöch nennt französische Populärromane und Heftchenromane als Beispiele. „Das sind wichtige Bereiche der Alltagskultur von Millionen von Menschen, die wir bisher gar nicht umfassend im Blick hatten.“
Eine Herausforderung wird dabei sein, Texte mit digitalen Methoden auch in den gesellschaftlichen Zusammenhang einzubetten. Mit diesem neuen Blick auf „das Normale“ könne man zudem das „Besondere“ der Klassiker nochmals präziser herausarbeiten, sagt Schöch.
Ob Literaturwissenschaft, Musikwissenschaft, Geschichte, Kunstgeschichte oder Altertumswissenschaft: Die „Digital Humanities“ könnten für unser Verständnis der Welt neue Horizonte eröffnen. Schöch setzt dafür auch auf junge Kollegen. Denn erst jetzt würden die Absolvierenden von den Unis kommen, die seit Beginn ihres Studiums als „digitale Geisteswissenschaftler“ ausgebildet wurden – und die ihre Karriere sicher mit ganz neuen Fragen starten werden.
Dunkle Materie entdecken
Das Thema: Das Universum besteht nicht nur aus dem, was wir sehen. Bekanntermaßen hat Materie mit einer bestimmten Masse eine Anziehungskraft. Diese ermöglicht es beispielsweise, dass kosmische Objekte auf einer Umlaufbahn kreisen.
Schaut man sich aber Galaxien in einem Galaxienhaufen an, so bewegen sich diese weitaus schneller, als die Berechnung ergibt, zieht man nur die für uns sichtbare Materie heran. Es sollte also noch eine weitere Form von Materie geben, die durch ihre Gravitation wirkt, aber weder Licht aussendet noch absorbiert, weshalb wir sie nicht sehen können. Von dieser „Dunklen Materie“ gibt es etwa viermal so viel wie von der uns bekannten. Was die Dunkle Materie genau ist, woraus sie besteht und wie sie nachzuweisen ist – diese Fragen sind bisher unbeantwortet.
Übrigens gehen Kosmologen davon aus, dass es zudem noch eine „Dunkle Energie“ gibt, die als Ursache für die beobachtete zunehmend schnellere Ausdehnung des Universums gilt. Doch diese zu finden gilt als noch schwieriger als bei der Dunklen Materie.
Das könnte kommen: Die Dunkle Materie müsste praktisch überall vorkommen, auch in unserer Umgebung. Dadurch besteht eine Chance, sie nachzuweisen. Um eine geeignete Methode zu entwickeln, müssen Forscher zunächst eine Idee davon haben, woraus sie besteht – aus Teilchen, die extrem leicht und entsprechend häufig sind, oder extrem schweren und seltenen?
Im Lauf der nächsten zehn Jahre werden viele Forschungsgeräte leistungsfähig genug sein, um der Lösung des Rätsels beträchtlich näher zu kommen, sagt die Astrophysikerin Catherine Heymans von der Universität Edinburgh. Etwa Detektoren im Untergrund, die nach Lichtsignalen fahnden, die beim Zusammenprall eines hypothetischen Dunkle-Materie-Teilchens mit einem Xenon-Atom entstehen. Deren Empfindlichkeit werde so gut sein, dass man in zehn Jahren einen Nachweis hat – oder die Erkenntnis, dass man auf dieser Strecke nicht weiterkommt.
Zweite Möglichkeit: Der Beschleuniger LHC am Cern, der ab 2027 eine neue Leistungsstufe erreichen wird. Heymans selbst setzt auf das Large Synoptic Survey Telescope in Chile, das nach Gravitationseffekten fahndet, die das Licht ferner Galaxien vorübergehend ablenken. Wenn es gut läuft, könnte die Dunkle Materie im nächsten Jahrzehnt enttarnt werden.
Zurück zum Mond
Das Thema: Vor 50 Jahren betrat erstmals ein Mensch den Mond, und der letzte Besuch ist 47 Jahre her. Nun wollen Menschen bis 2030 zurückkehren – aber warum? Wer zum Mars will, muss herausfinden, welche technischen Einrichtungen nötig sind, um Menschen vor harter Strahlung und extremen Temperaturschwankungen zu schützen, sie mit Nahrung zu versorgen und sie physisch und psychisch stabil zu halten. Bevor man das „auf die harte Tour“ auf dem Mars lernt, wo es aufgrund der Planetenbewegung für gut ein Jahr keine realistische Rückkehrmöglichkeit gibt, wäre der nahe Mond das bessere Versuchsfeld.
Dafür ist eine Station nötig, in der über längere Zeit Menschen leben können. Das ist das eigentliche Ziel der anvisierten Rückkehr zum Mond und damit weitaus mehr als eine Stippvisite für wenige Tage wie zu Apollo-Zeiten.
Das könnte kommen: Die US-Regierung hat erklärt, sie wolle bereits 2024 wieder Menschen auf den Mond schicken. Eine Mondbasis lässt sich bis dahin nicht errichten.
Zunächst muss sich die Nasa darum kümmern, überhaupt einen Mann und eine Frau – so der Wunsch – fristgerecht auf dem Trabanten abzusetzen. Die Schwerlastrakete SLS, die dafür vorgesehen ist, hängt im Zeitplan und soll erst 2022 zum ersten bemannten Flug abheben. Zeitgleich soll die Industrie eine Landefähre entwickeln, die zwei Personen auf die Oberfläche und zurück bringen kann. Das ist nicht mehr als zu Apollo-Zeiten.
Eine Mondstation ist erst für Ende der zwanziger Jahre vorgesehen. Technisch dürfte der Bau eines Mondhabitats in der vorgegebenen Zeit machbar sein, offen ist aber, ob das Geld für die nötigen drei Dutzend Flüge für Mensch und Material reicht.
Die Gesellschaft einen
Das Thema: Dass der gesellschaftliche Zusammenhalt weltweit bröckelt, ist in den letzten Jahren fast zu einer Binse geworden. Der ideologische Großkonflikt zwischen bodengebundenen „Somewheres“, die ihre kulturelle Identität als statisch erachten, und frei durch die Welt schweifenden „Anywheres“, die ihre Lebensform aus einer Vielzahl von Versatzstücken individuell zusammenschustern, hat sich in vielen Gesellschaften verschärft. Das Brexit-Drama und die Wahl von Donald Trump sind zu Symbolen dieser Spaltung geworden.
Weitere Frontlinien kommen hinzu: die wachsende Schere zwischen Arm und Reich, die das Nord-Süd-Verhältnis ebenso betrifft wie die Sozialstrukturen einzelner Länder. Die Auseinandersetzung zwischen Jung und Alt, die derzeit besonders ob der Klimakrise tobt. Das Gefälle zwischen den urbanen Zentren und der ruralen Peripherie, das sich häufig mit dem Clash von progressivem und konservativem Weltbild überschneidet.
Nicht zu vergessen der digitale Wandel, der die Gesellschaften weiter fragmentiert: Wo sich Neogemeinschaften in Echokammern einkapseln und ihre jeweilige „Wahrheit“ konsumieren, kann man kaum mehr von geteilter Öffentlichkeit sprechen.
Wie stellt sich die Wissenschaft den komplexen Herausforderungen, die den gesellschaftlichen Zusammenhalt auf zahlreichen Ebenen bedrohen?
Das könnte kommen: Da die Frage, was eine Gesellschaft im Innersten zusammenhält und was ihren Zusammenhalt maßgeblich gefährdet, so vielschichtig ist, scheint eine einzelne Fachdisziplin mit ihrer Bearbeitung überfordert. Das Feld der „sozialen Kohäsion“ könne man daher nur transdisziplinär, in enger Kooperation von Ingenieurwissenschaften, Natur- und Lebenswissenschaften sowie Geistes- und Gesellschaftswissenschaften bearbeiten, sagt die Berliner Soziologin Martina Löw.
Die TU-Professorin ist verantwortlich für das Forschungsprojekt „Social Cohesion“, das die Berlin University Alliance aus FU, HU, TU und Charité in den kommenden Jahren fächerübergreifend angehen will. Dem Verbund geht es dabei genauso um Umweltfragen wie um Ressourcenverteilung, Geschichtsbilder und den Einfluss digitaler Medien. Man dürfe „Social Cohesion“ dabei nicht als normative Aufgabe betrachten, sagt Löw. Der „Berliner Ansatz“ versteht Kohäsion nicht derart, dass es keine Differenzen und Konflikte geben soll.
Im Gegenteil: Die Frage ist, wie sich Menschen bei aller Perspektivenvielfalt dennoch als gemeinschaftlich empfinden können. Wie ist ein gesellschaftliches „Wir“ möglich, wenn sich Menschen aus Ost und West, mit und ohne Migrationshintergrund ganz unterschiedlich auf Vergangenheit beziehen? Einheit bei gleichzeitiger Vielfalt könnte damit einen Modus gelingender Gesellschaft beschreiben.