Am 29. November wird vom Bundespräsidenten im Max Delbrück Communications Center in Berlin zum fünften Mal der Deutsche Zukunftspreis für Technik und Innovation vergeben. Vier Teams mit ihren Forschungsprojekten sind dafür nominiert.
Die Einheit Meter ist seit 1983 über die Wellenlänge von Laserlicht definiert, die berechnet wird als der Quotient aus der Lichtgeschwindigkeit und der Lichtfrequenz. In der Praxis war die genaue Messung der Frequenz von Licht bisher sehr schwierig und aufwändig – immerhin schwingt eine Lichtwelle pro Sekunde mehrere hunderttausend Milliarden Mal auf und ab. Prof. Theodor Hänsch vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching fand nun ein Verfahren, mit dem sich die Anzahl der Schwingungen des Lichts pro Sekunde sehr genau bestimmen lässt. Dazu verwendete der Physiker, der das Institut für Laserspektroskopie der Ludwig-Maximilians-Universität in München leitet, einen Femtosekunden-Laser, der in rascher Folge ultrakurze Lichtimpulse von wenigen billiardstel Sekunden Dauer aussendet. Indem die Lichtblitze durch eine mikrostrukturierte Quarzfaser geleitet werden, gelingt es Licht zu erzeugen, dessen Frequenzen sich über den gesamten sichtbaren und infraroten Spektralbereich erstrecken. Das Licht besteht aus Hunderttausenden scharfer Laserlinien, die sich wie die Zacken eines Kamms in gleichmäßigem Abstand aneinander reihen. Die Frequenzen lassen sich mit Hilfe von Mikrowellen genau messen. „Anwendungen liegen etwa bei der Telekommunikation”, sagt Hänsch. So könnte das Verfahren die optische Datenübertragung in Glasfaserkabeln erleichtern: Um große Datenmengen übertragen zu können, müssen viele Kanäle mit unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig genutzt werden. Je genauer man diese Frequenzen kennt, desto dichter dürfen die Kanäle liegen – und desto mehr Daten kann man pro Sekunde über das Kabel übermitteln. Mit Frequenzkamm-Generatoren könnten zudem Atomuhren gebaut werden, die die Präzision der genauesten heutigen Chronometer um das Tausendfache übertreffen. „Mit solchen Uhren lassen sich bessere Satelliten-Navigationssysteme implementieren, die jedermann für eine präzise Positionsbestimmung nutzen kann”, verspricht Hänsch.
Seit 1993 bringt Prof. Wolfgang Wahlster vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz im Projekt Verbmobil Computern verschiedene Sprachen bei. Als große Innovation des Projekts gilt die Fähigkeit, dass der Computer auch den Inhalt eines Gesprächs erfassen kann. Das System kombiniert dazu Spracherkennung, Sprachverstehen und Künstliche Intelligenz. Dabei wird die rein akustische Erfassung der Worte durch eine Analyse des Gesprächsinhalts ergänzt. Eine Hauptanwendung sieht Wahlster in der simultanen Übersetzung von Sprachen. Das System wurde jahrelang mit über 3000 Dialogen, 1,5 Millionen Wörtern und 85000 Beschreibungen von Satzzusammenhängen für Deutsch, Englisch, Japanisch und Chinesisch gefüttert und an 30000 Übersetzungsbeispielen trainiert. Mit simultanen Übersetzungen von Themen wie Terminverhandlungen oder Hotelreservierung hat es bereits gute Erfolge erzielt. Das Handy könnte damit zur Übersetzungshilfe werden. Die Vision: Zwei verschieden sprachige Gesprächspartner unterhalten sich in einer Dreierkonferenz über das Verbmobil-System, das das Gespräch im Handy simultan übersetzt. Aus dem Projekt sind mehrere Unternehmen mit Produkten hervorgegangen, zum Beispiel spracherkennenden Reiseplanungs- oder Hotelreservierungssystemen. Trotzdem ist man von einem universellen Spracherkennungssystem noch weit entfernt – die menschliche Sprache ist zu komplex. An Verbmobil waren 31 Partner aus Industrie und Forschung – darunter DaimlerChrysler, IBM Deutschland und die Berliner Humboldt-Universität – beteiligt. Wahlster leitet indessen bereits ein Nachfolgeprojekt. Sein Ziel: Neben der Sprache sollen auch Gestik und Mimik des Benutzers erkannt und zum Verstehen des Gesprochenen genutzt werden. Auch das System selbst soll mit Hilfe von Gesten und Gebärden, die auf einem Monitor dargestellt werden, kommunizieren können.
„Wie eine Grossstadt produziert unser Körper viel Abfall”, sagt Dr. Steffen Mitzner vom Rostocker Unternehmen Teraklin. „ Solange der Abfall regelmäßig abgeholt und in der zentralen Müllverbrennung verarbeitet wird, geht das gut.” Im Körper gibt es gleich zwei solche Müllverbrennungsanlagen: Nieren und Leber. Sie teilen sich die Arbeit bei der Auf-arbeitung von Stoffwechsel-Endprodukten. Wissenschaftler von Teraklin, einer Ausgründung der Klinik für Innere Medizin in Rostock, haben ein System entwickelt, das bei akutem Leberversagen dafür sorgt, dass wasserunlösliche Giftstoffe aus dem Blut entfernt werden. Die Nieren können wasserlösliche Stoffe mit dem Urin ausscheiden. Die Leber dagegen verarbeitet Substanzen, die sich nicht in Wasser lösen. Streikt eines der beiden Organe, gerät die Abfallentsorgung des Körpers ins Stocken, giftige Stoffe reichern sich an und der Patient stirbt meist daran – wenn nicht durch eine neue Niere oder Leber die Entgiftung des Körpers wieder in Gang gebracht wird. Ein akutes Nierenversagen lässt sich zudem durch Dialyse – eine Blutwäsche außerhalb des Körpers – behandeln. Bei einem Leberversagen, etwa als Folge einer Vergiftung durch Pilze, Lacke oder Farben, war eine Transplantation bisher die einzige Möglichkeit, das Leben zu retten. Dies ändert die künstliche Leber. Zum Entgiften wird das Blut aus dem Körper durch eine Filtereinheit befördert. Dort strömt es an einer Reinigungsflüssigkeit vorbei, die durch eine Membran vom Blut getrennt ist. Die Membran verhindert, dass das Blut mit dem Entgiftungsserum in Kontakt kommt. Die Giftstoffe gelangen durch die Membran vom Blut in das Serum, das ähnliche Eiweißstoffe wie das Blut enthält, an die die giftigen Substanzen andocken. Wertvolle Stoffe wie Vitamine, Hormone und Wachstumsfaktoren bleiben dagegen im Blut. Das Serum wird in einem zweiten Kreislauf von den Giftstoffen befreit und kann dann erneut zum Entgiften eingesetzt werden. Ergebnisse bisheriger Behandlungen sind viel versprechend: Die Überlebenswahrscheinlichkeit der Patienten steigt, ihre Lebensqualität verbessert sich deutlich. Anders als eine Nierendialyse, die stets nur eine Übergangslösung ist, macht die Reinigung der Leber eine Transplantation oft überflüssig, betont Teraklin-Vorstand Dr. Stephan Aldinger.
Die Strahlentherapie ist bei der Bekämpfung von Krebs sehr erfolgreich. In Deutschland werden jährlich rund 250000 Patienten auf diese Weise behandelt. Problematisch aber ist die Bestrahlung von bösartigen Tumoren, wenn diese dicht neben strahlenempfindlichen gesunden Organen liegen – etwa den Augen, dem Hirnstamm, dem Rückenmark oder der Lunge – und zudem kompliziert geformt sind. Wenn etwa ein Gehirntumor hufeisenförmig um den Hirnstamm herumwächst, kann er nur mit einer geringen Dosis bestrahlt werden, um das gesunde Gewebe nicht zu schädigen. Die Folge: Die Chance auf Heilung sinkt. Wissenschaftler um Prof. Wolfgang Schlegel am Deutschen Krebsforschungszentrum in Heidelberg fanden dafür eine elegante Lösung: Die so genannte intensitätsmodulierte Strahlentherapie. „ Das Prinzip ist, mit ungleichmäßig ausgeleuchteten Strahlenfeldern die Bereiche, wo die Strahlung gleichzeitig durch den Tumor und das gesunde Gewebe dringt, schwächer zu bestrahlen, und dort, wo nur der Tumor getroffen wird, stärker zu dosieren”, erläutert Schlegel. Der Clou der Methode ist ein mathematisches Verfahren, das ausrechnet, wie die Strahlenfelder beschaffen sein müssen, damit ihre Überlagerung zu einer schonenden und effektiven Verteilung der Dosis führt. Die Strahlenintensität modulieren die Forscher mit Hilfe computersteuerbarer Blenden. „ Diese führen wir in den Strahlengang und lassen sie dort einige Zeit verweilen”, erklärt Schlegel. „Sie mindern die Strahlung an bestimmten Stellen ab und lassen sie an anderen Stellen passieren.” „Bei Prostatakrebs-Patienten wären früher bei 30 bis 40 Prozent der Behandlungen mit entsprechender Dosis schwere Nebenwirkungen aufgetreten”, berichtet Schlegel. „Heute ist das bei weniger als einem Prozent der Fall.” Mehr noch: Es lassen sich Tumore abtöten, die bislang als unbehandelbar galten.
Prof. Wolfgang Wahlster leitet seit 1996 das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz.
Ralf Butscher
