Physik Journal 7 / 2014

Ein zentraler Punkt ist die exakte, quantitative Diagnose der Hörbeeinträchtigung jedes Patienten. „Wir möchten Audiologie in eine exakte Wissenschaft verwandeln“, erklärt der Sprecher des Clusters, Birger Kollmeier, der als Physiker und Arzt in beiden Kerndisziplinen zuhause ist. Die Forscher möchten herausfinden, was die wichtigsten Kenngrößen sind, um Hörhilfen individuell anpassen und Interventionsmaßnahmen spezifisch planen zu können. In den ersten anderthalb Jahren der Förderperiode haben Kognitionspsychologen, Mediziner und Physiker eng auf diesem Gebiet zusammen gearbeitet, Ansätze entwickelt und Patientendaten erhoben. „Nun geht es in die Modellierungsphase, damit wir die Auswirkung von Hörpathologien auf die Signalverarbeitung exakt beschreiben können“, führt Kollmeier aus. Im nächsten Schritt gilt es, in komplexen Szenarien wie der eingangs erwähnten Party diejenigen Signale herauszufiltern, die das Hörgerät an den Patienten weiterleitet. Das ist ein Problem der Klassifizierung, denn das Gerät muss zunächst lernen, was Sprache ist und was nicht. „Bei der Klassifizierung haben wir in den letzten eineinhalb Jahren ordentlich Fortschritte erzielen und sogar einen internationalen Wettbewerb gewinnen können“, freut sich Birger Kollmeier.
Nach der erfolgreichen Klassi­fizierung muss das Hörgerät bzw. Cochlea-Implantat zudem wissen, welches die gewünschten Sprach­signale sind, also die Worte meiner Partybegleitung und nicht die Gespräche anderer Gäste. Dazu kommen sog. Brain-Computer-Interfaces zum Einsatz. Diese Systeme nehmen beim Menschen ein Elektroenzephalogramm (EEG) auf, um die Verarbeitung akustischer Signale im Gehirn zu verfolgen. Das Gehirn eines nicht hörgeschädigten Menschen verfügt über effiziente Vorhersagemecha­nismen, die es ihm erlauben, die Aufmerksamkeit im richtigen Moment auf den Gesprächspartner zu lenken. Gelingt es, diese Prozesse zu verstehen, könnte man dieses Wissen nutzen, um das gewünschte akus­tische Signal mittels Hörhilfe zum richtigen Zeitpunkt zu verstärken. Erste Erfolge sind bereits zu verzeichnen: „Wir haben das EEG-System inzwischen so miniaturisiert, dass es im Prinzip drahtlos in eine Baseball-Kappe passt“, erklärt Kollmeier. Zudem konnten die Wissenschaftler eine vereinfachte Situation, in der sich zwei Schallquellen abwechseln, im EEG erfassen. In der Realität überlagern sich allerdings meist mehrere Signale...

Als Paul Dirac die heute nach ihm benannte quantenmechanische Wellengleichung zur Beschreibung der Fermionen aufstellte, fiel ihm bald auf, dass ihre Lösungen sowohl positive als auch negative Energieeigenwerte annehmen können. Auf der Grundlage dieser mathematischen Möglichkeit wagte er 1931 die Prognose, es müsse ein Teilchen mit derselben Masse, aber der umgekehrten elektrischen Ladung des Elektrons geben [1]. Schon im Folgejahr entdeckte Carl Anderson in Nebelkammeraufnahmen von kosmischen Strahlen das Positron, dessen Eigenschaften genau dieser Vorhersage entsprachen [2]. Heute wissen wir, dass jedes Elementarteilchen einen Antimaterie-Partner besitzt und dass sich die Eigenschaften dieser Paare – soweit sie präzise untersucht sind – mit großer Genauigkeit gleichen.

Die vielleicht frappierendste Eigenschaft von Antimaterie ist die Möglichkeit, sie nach Belieben aus dem „Nichts“ zu erschaffen, solange man entsprechend der Gleichung E = mc2 genügend Energie zur Verfügung stellt. Da additive Quantenzahlen wie die Baryonen-und die Leptonenzahl ungefähr erhalten sind, müssen immer Paare von Materie- und Antimaterieteilchen entstehen (Paarbildung). Beim umgekehrten Prozess, der Annihilation, vernichten sich die Partner wieder zu Energie. Je nach Masse der Ausgangsteilchen entstehen dabei entweder Photonen oder zunächst leichtere massebehaftete Teilchen. Nachdem im Urknall gleiche Mengen Materie und Antimaterie entstanden waren, annihilierte der überwiegende Teil schon innerhalb der ersten Sekunde miteinander zu Photonen. Doch dieser Vorgang lief aus bisher unbekannten Gründen nicht ganz symmetrisch ab: Am Ende blieb etwa ein Milliardstel gewöhnliche Materie übrig.

Unsere heutige Lebensform basiert auf einem hohen Energiekonsum, den eine weltweit vernetzte Energiewirtschaft sicherstellt und der globale Auswirkungen hat. Die elektrische Energie ist dabei eine der thermodynamisch hochwertigsten Energie­formen, die sich mit nur geringen Verlusten in andere Formen umwandeln und obendrein hervorragend transportieren lässt. Obwohl eine Speicherung bisher noch schlecht möglich ist, gehen nahezu alle Szenarien davon aus, dass der Anteil der elektrischen Energie am Energiekonsum weiter deutlich zunehmen wird.

Die aktuelle Diskussion um die Energieversorgung wird getrieben von der Endlichkeit der Ressourcen, ihren Umweltauswirkungen und ihrer Wirtschaftlichkeit. Die erneuerbaren Energien spielen dabei wegen der Ressourceneffizienz und den erheblich geringeren Umweltauswirkungen eine zentrale Rolle. Welche Zukunftsperspektiven hat speziell die Windenergie, und wie wirtschaftlich ist sie? Bevor wir uns diesen Fragen zuwenden, soll zunächst die Physik der Windenergie im Fokus dieses Artikels stehen.

Im physikalischen Sinn bezeichnet Windenergie die in bewegter Luft enthaltene und mit dem Wind transportierte Ener­gie. Für ihre Leistungsdichte, also die pro Zeiteinheit durch eine Fläche A transportierte Ener­gie, gilt P_Wind /A = 1/2 ρ u³ mit der Luftdichte ρ von ca. 1,2 kg/m³ und der Windgeschwindigkeit u. Eine Windgeschwindigkeit von 12 m/s (Windstärke 6) in Bodennähe entspricht demnach einer Windleistung von ca. 1 kW/m². Zum Vergleich: An sonnigen Tagen beträgt die einfallende Leistungsdichte der Solar­energie am Erdboden ebenfalls ca. 1 kW/m².

Der junge Professor der Physik Max Born sitzt in Straßenanzug und Krawatte behelfsmäßig auf einer Kiste, Mantel und Schirm sind ordentlich auf einem kaputten Stuhl abgelegt (Abb. 1). Neben der Kleiderbürste befindet sich ein Buch auf der Holzkiste, die den fehlenden Tisch in seiner heruntergekommenen Behausung ersetzt, und in einer improvisierten Vase stehen einige Zweige. Diese bescheidenen Insignien bürgerlichen Lebens stehen im Kontrast zu seiner Uniform, die er mit Koppel und Stiefeln einer offenbar improvisierten Kleiderpuppe angezogen hat, und ein Stück Gardine an einer Stange ersetzt die Fahne, das Symbol für Vaterland und Ehre. Das hier sichtbar werdende ambivalente und distanzierte Verhältnis zwischen den Sphären der Wissenschaft und des Militärs war charakteristisch für den Einsatz der Physiker im Ersten Weltkrieg. Sie fanden sich auf einen Schlag in zwei ganz unterschiedlichen Koordinatensystemen, die sich nicht so leicht ineinander transformieren ließen. Dies scheint auch der Blick in die Kamera wider­zuspiegeln.

Wenige Wissenschaftler haben sich später zu ihrer anfänglichen Euphorie über den Krieg geäußert oder zu ihrer späteren Enttäuschung. Kaum einer hat seine Versuche, die Physik für den Kampf zu mobilisieren, genauer hinterfragt. Einige sollten von der „Urkatastrophe Deutschlands“ [1], die in England und Frankreich noch heute schlicht als der „Große Krieg“ bezeichnet wird, sogar persönlichen profitieren – nämlich wenn sich Kriegstätigkeiten als wichtige Faktoren für den späteren wissenschaftlichen Erfolg herausstellten. Einem Fünftel des Wissen­schaftlernachwuchses – vom Erstsemester zum jungen Physikprofessor – brachte der militärische Einsatz freilich den Tod. Für die meisten sollte es aber irgendwie weitergehen, unter ihnen auch all diejenigen, welche Deutschland die goldenen Zwanzigerjahre der Physik bescherten...

Walther Nernst [1] war 1885 als „untauglich befunden“ worden und 1909 „aus jedem Militärverhältnis ausgeschieden“.1) Dennoch hatte er sich bald nach Kriegsbeginn freiwillig zum Kriegsdienst gemeldet. Dies mag der allgemeinen Kriegsbegeisterung geschuldet sein, die alle Bevölkerungsschichten in Deutschland und im Ausland ergriffen hatte. Sein Name findet sich auch neben 92 anderen unter dem Aufruf „An die Kulturwelt“ vom Oktober 1914 [2]. Darin werten die Unterzeichner die Vorwürfe der „Feinde Deutschlands“, dass Deutschland den Krieg verschuldet und die Neutralität Belgiens und das Völkerrecht verletzt habe, als „Lügen und Verleumdungen“. Ob die Unterschrift von Nernst auch der „Kriegsbegeisterung“ entsprang, soll später diskutiert werden.

Da er zu den damals noch seltenen Automobilbesitzern gehörte, war er prädestiniert für das Kaiserliche Freiwillige Automobil-Corps. Als Meldefahrer erlebte er auf dem Feldzug der 1. Armee von Ende August bis Mitte Oktober 1914 zahlreiche Schlachten und Gefechte mit, darunter die erste Marne-Schlacht Anfang September. Sie bereitete den Übergang vom Bewegungs- in den Stellungskrieg vor. Nach der verlorenen Schlacht forderte der neue Chef der Obers­ten Heeresleitung, der preußische Kriegsminister Erich von Falkenhayn, für die noch nicht beendete Phase des Bewegungskrieges offensive Chemiewaffen, genauer mit kurzzeitig wirkenden Reizstoffen gefüllte Geschosse, die dazu dienen sollten, den Gegner aus geschlossenen Räumen zu vertreiben. Das war im Einklang mit der Haager Landkriegsordnung...