Horizonte

Die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen wurde 1870 gegründet, zunächst als Polytechnische Schule und dann zehn Jahre später als Technische Hochschule. Bis in die Mitte dieses Jahrhunderts hat sie mit ihrem wissenschaftlichen und technischen Know-how die Industrialisierung Deutschlands, insbesondere des Ruhrgebiets, und nach dem Zweiten Weltkrieg auch den Wiederaufbau begleitet.

Die Bedeutung der Ingenieurwissenschaften und der Informatik für technologischen Fortschritt fällt ins Auge. Die Rolle der Mathematik ist dabei selbst für Mitglieder der Hochschule weit schwerer erkennbar. Wir kennen doch alle die Grundrechenarten, heißt es, was bleibt denn da in der Forschung noch zu tun? Man begreift häufig Mathematik oberflächlich als einen festen Fundus von Regeln, Gesetzmäßigkeiten und Manipulationsvorschriften, den man sich mühsam erarbeiten muß, um dann zumindest Teile in „sinnvollen“ Bereichen des praktischen Lebens auch anwenden zu können. Anwender sind dabei meist gar keine Mathematiker, sondern Spezialisten des jeweiligen Anwendungsgebietes wie Ingenieure, Chemiker, Physiker, Biologen oder Wirtschaftswissenschaftler. Dieser Fundus wird dabei unwillkürlich als statisch und im wesentlichen abgeschlossen empfunden. Wohlgesinnte billigen darüber hinaus der Mathematik immerhin noch die Rolle eines Trainingsfeldes zur Stärkung strukturierten Denkens zu.

Es ist jetzt etwas mehr als 50 Jahre her, daß der amerikanische Mathematiker John von Neumann — gemeinsam mit seinem Kollegen Herman H. Goldstine — sein Manifest über die Notwendigkeit der Entwicklung und die Entwurfsprinzipien des Digitalrechners verfaßte [1]. Anstoß war die Stagnation der analytischen mathematischen Methoden, um partielle Differentialgleichungen zu lösen, vornehmlich in der Strömungsdynamik. Und er wollte mit seinem Konzept des sequentiellen Digitalrechners, dessen Flexibilität den Siegeszug des Computers in Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft vorantreiben sollte, einen „digitalen Windkanal“ schaffen, um mit numerischen Methoden und der Simulation komplexer Strömungsprozesse die vorherrschende Stagnation zu durchbrechen.

Supercomputer machen es möglich: Ihre Entwicklung während der letzten 20 Jahre veränderte in der Strömungsmechanik auf ungeahnte Weise die Methodik, mit der Strömungsvorgänge beschrieben werden können. Größere Speicherkapazität und höhere Rechengeschwindigkeit konnten die Leistungsfähigkeit elektronischer Rechner um mehr als das Hundertfache steigern. Zugleich wurde in diesem Zeitraum eine weitere, noch größere Leistungssteigerung der Rechentechnik von etwa zweieinhalb Größenordnungen erreicht, weil algorithmische Methoden verbessert werden konnten; ein Beispiel ist die Erhöhung der Konvergenzrate bei Lösungen linearer Gleichungen mit sehr vielen Unbekannten.

„Der äußerste Bereich ist aus verknüpften Schichten mikrogeschäumter Duranium-Filamente zusammengesetzt. Diese Filamente sind zu Segmenten von 4,7 Zentimetern Dicke und zwei Metern Breite gammageschweißt. ... sie widerstehen der vieltausendfachen Erdbeschleunigung und Temperaturzyklen von Null bis mehreren 1000 Kelvin...“ Wir wissen wenig über diesen Werkstoff des 24. Jahrhunderts, der hier im technischen Handbuch des Raumschiffes Enterprise beschrieben wird. Aber eins ist sicher: Wenn es ihn jemals geben wird, dann wird er am Computer „designed“ worden sein.

Die letzten Jahrzehnte brachten bedeutende Fortschritte auf dem Gebiet der Werkstoffe — sie gehen auf die Ergebnisse einer intensiven Grundlagenforschung zurück. Technischer Fortschritt und industrielle Weiterentwicklungen sind häufig nur dann möglich, wenn leistungsfähige Materialien zur Verfügung stehen. Dafür lassen sich zahlreiche Beispiele anführen, etwa aus der Luft- und Raumfahrt, aus dem Kraftwerksbau und der Automobiltechnik. Neue Werkstoffe sind zudem ein hervorragendes Mittel, um den Energieverbrauch zu senken: etwa Keramiken in Gasturbinen, hochwarmfeste Werkstoffe in Kraftwerken oder Verbundwerkstoffe in Fahrzeugen und Satelliten.

Teilchenphysik an der Technischen Hochschule Aachen, physikalische Grundlagenforschung an einer Ausbildungsstätte, die Technik in ihrem Namen führt — wie paßt das zusammen? Der scheinbare Widerspruch löst sich schon auf den zweiten Blick auf, denn in der Tat sind Teilchenphysik und Technologieentwicklung, naturwissenschaftliche Ausbildung und Praxisnähe sehr gut miteinander vereinbar: Die erkenntnisorientierte Grundlagenforschung zielt auf das Wissen über die Struktur der Materie und die grundlegenden Kräfte im Universum. Dazu bedarf sie jedoch großer und komplexer Anlagen — Beschleuniger und Detektoren — deren Realisierung fast immer am Rande des technologisch gerade noch Machbaren liegt.

Das Ziel der internationalen Mission AMS (Alpha-Magnet-Spektrometer) ist hochgesteckt: Es geht um die Suche nach dem Verbleib von Antimaterie und Dunkler Materie im Weltall. Das magnetische Spektrometer — sein Kernstück ist ein zweieinhalb Tonnen schwerer Permanentmagnet — wurde im Juni 1998 zu Testzwecken mit der amerikanischen Raumfähre Discovery für zehn Tage in eine etwa 400 Kilometer hohe Erdumlaufbahn gebracht. Der Detektor war mit allen Komponenten voll funktionsfähig und hat während des Fluges etwa 100 Millionen kosmische Teilchen — Elektronen, Positronen, Protonen, Antiprotonen und schwere Kerne — vermessen. Ende 2003 wird das erweiterte System für drei bis fünf Jahre auf der Internationalen Raumstation ISS montiert, um nach kosmischer Antimaterie und Dunkler Materie zu suchen. Die Internationale Raumstation befindet sich im Aufbau und soll Anfang des neuen Jahrtausends als einzigartiges Laboratorium im praktisch atmosphärefreien erdnahen Weltraum ihren Betrieb aufnehmen (Bild 1).

Die Kristallstruktur und die magnetische Ordnung von kristalliner Materie lassen sich mit Hilfe von Röntgen- und Neutronenbeugung erforschen, wobei sich beide Verfahren ergänzen. Dadurch erhält man genaue Angaben über den atomaren Aufbau der Kristalle. Aus dieser Kristallstruktur ergeben sich auch die Symmetrieeigenschaften und die Periodizität des Kristallgitters. Weiterhin erhält man Informationen über die chemischen Bindungen sowie die Nachbarschaftsumgebungen der Atome und Moleküle (Packungen und Koordinationen). Atome liegen nicht starr an bestimmten Positionen fest. Selbst im Diamant, dem härtesten kristallinen Festkörper, den wir kennen, schwingen die Atome. Diese Schwingungen nehmen mit steigender Temperatur zu. Baufehler in einem Kristall, etwa durch fehlende Atome (sogenannte Leerstellen), führen zu lokalen Verzerrungen der geordneten Kristallstruktur. Auch diese dynamischen und statischen Auslenkungen der Atomverteilung werden in der Strukturanalyse erfaßt. Bei magnetischen Systemen kann die räumliche Anordnung der lokalen magnetischen Momente mit ihrer Ausrichtung im Kristallgitter untersucht werden. Daraus lassen sich Aussagen über magnetische Wechselwirkungen und magnetische Ordnungszustände, sogenannten Magnetstrukturen, gewinnen.

Das Verhältnis zwischen Bild und Spiegelbild ist geheimnisvoll und fasziniert uns Menschen schon immer. Durch den täglichen Blick in den Spiegel sind wir mit unserem Spiegelbild mehr vertraut als mit dem Original, wie wir es auf einer Photographie sehen. Besonders augenfällig ist für uns das spiegelbildliche Verhältnis von rechter und linker Hand. Der englische Physiker William Thomson (1824 bis 1907), seit 1892 Lord Kelvin, prägte 1884 für das Phänomen der Händigkeit den Begriff Chiralität, abgeleitet vom griechischen Wort cheir für Hand.

In der medizinischen Diagnostik gehören sie bereits seit einigen Jahren zu den Standard-Verfahren: die bildgebenden Verfahren der magnetischen Kernresonanz — kurz NMR (Nuclear Magnetic Resonance). Jetzt fassen sie auch in der Materialforschung Fuß [1, 2, 3]. Dabei geht es nicht allein darum, daß dieses Verfahren zerstörungsfrei ist. Interessant sind vor allem die vielen Parameter, die den Bildkontrast bestimmen können. So lassen sich durch geeignete Wahl von Kontrastparametern Eigenschaften sichtbar machen, die mit anderen Methoden gar nicht oder nur ungenau abgebildet werden können. Zudem erlauben viele mikroskopische und optische Verfahren nur das Betrachten von Oberflächen, während man mit NMR auch durch optisch undurchsichtige Materialien wie Kunststoffe und Gummis hindurchschauen kann. Denn die Wellen, mit denen das Objekt betrachtet wird, sind nicht aus dem für das Auge sichtbaren Spektralbereich, sondern Radiowellen.

Die in den siebziger und achtziger Jahren anzutreffende euphorische Grundstimmung hinsichtlich eines umfangreichen Einsatzes von Keramik in Otto- und Dieselmotoren ist mittlerweile einer realistischen Einschätzung gewichen. Damals geäußerte optimistische Markterwartungen für hochreine, hochfeine und porenfreie Strukturbauteile aus Keramik haben sich nicht erfüllt — zumindest nicht im Motorenbau. Der Grund: Qualitäts- und Zuverlässigkeitsanforderungen konnten — unter wirtschaftlichen Rahmenbedingungen — nur in Ausnahmefällen erreicht werden. Hierzu zählen beispielsweise der Turboladerrotor und Brennkammereinsätze als Serienprodukte in Japan. In Deutschland konzentriert man sich derzeit unter anderem auf keramische Ventile aus Siliziumnitrid sowie keramische Bauteile und Oberflächen zur Reduzierung von Massenkräften, Reibleistung und Geräusch.

Fullerene, Synonym für eine ganze Serie von neuen molekularen Erscheinungsformen des Elementes Kohlenstoff, unter denen das „Fußballmolekül“ C₆₀ sicher das bekannteste ist, haben eine Reihe von faszinierenden physikalischen und chemischen Eigenschaften. Sie sind sowohl für die Grundlagen- als auch für die angewandte Forschung hochinteressant. Für ihre Entdeckung im Jahre 1985 erhielten die Wissenschaftler Robert F. Curl, Harold W. Kroto und Richard E. Smalley 1996 den Nobelpreis für Chemie.

Spielte früher die Oberflächenbeschichtung bei der Produktgestaltung eher eine untergeordnete Rolle, so sehen Konstrukteure und Entwicklungsingenieure die Oberfläche eines Bauteils heute immer mehr als eigenes Funktionselement. Durch das Aufbringen anwendungsspezifischer Schichtsysteme vor allem bei leicht verfügbaren und kostengünstigen Werkstoffen lassen sich die herkömmlichen Oberflächeneigenschaften deutlich verbessern oder neue Eigenschaften darstellen.

Die ständig steigenden Anforderungen an Schlüsseltechnologien wie die Energietechnik, die Luft- und Raumfahrt und die Biomedizin erfordern angepaßte Werkstoffverbunde. Dabei spielen Beschichtungen eine wichtige Rolle. Sie verändern die Oberfläche eines Werkstoffes, damit das Bauteil den speziellen Anforderungen im Einsatz gerecht werden kann. Gewünschte Eigenschaften sind zum Beispiel die Härte der Oberfläche, ihr Widerstand gegen Verschleiß oder Korrosion, ihre Fähigkeit zur Wärmeleitung oder ihre Verträglichkeit mit organischen und biologischen Medien in der Umgebung. Je nach Prozeßführung und Wirkprinzip können Schichtdicken von wenigen millionstel Millimetern bis hin zu mehreren Millimetern erzeugt werden. Neueste Entwicklungen im Bereich der Simulationstechnik und der diagnostischen Meßtechnik erlauben die Analyse und Kontrolle der Herstellung. Sie bieten ein großes Potential für die Qualitätssicherung, die Prozeßauslegung und die automatisierte Prozeßsteuerung in der Beschichtungstechnik.

Die Energiequellen schonen, weniger Schadstoffe ausstoßen und aus der Kernenergie aussteigen: Diese drei Prämissen beeinflussen die Entwicklung neuer Kraftwerke. Die Wind- und Sonnenenergie sind zwar stark im Gespräch, aber trotz der viel diskutierten Kohlendioxidsteuer werden zur Energieerzeugung weiterhin vor allem fossile Heizstoffe verbrannt. Ein Ziel der thermischen Verfahrenstechnik ist es deshalb, die Energieausbeute von Kraftwerken deutlich zu steigern. Diese Erhöhung ihres Wirkungsgrades erfordert möglichst hohe Arbeitstemperaturen und Drücke an den Schaufeln der Turbine, die mit den Verbrennungsgasen betrieben wird. Das Konzept des Kombikraftwerks ermöglicht eine zweite Nutzung der in der Primärturbine abgekühlten und teilweise entspannten Gase durch eine nachgeschaltete Dampfturbine. Der Wirkungsgrad von Gasturbinen erreicht gegenwärtig etwa 38 Prozent. Im kombinierten Gas- und Dampfprozeß werden immerhin 58 Prozent der Brennstoffenergie ausgenutzt.

Internationaler Wettbewerb und kürzere Produktlebenszyklen stellen immer höhere Anforderungen an die Verfahrensentwicklung. Sie muß immer schneller zu neuen Produkten und damit neuen technischen Prozessen führen. Gleichzeitig werden Innovationen für hochwertigere Erzeugnisse verlangt. Der Verbrauch von Ressourcen und die Belastungen für die Umwelt müssen dabei stetig verringert werden.

Die Mikrosystemtechnik gehört zu den entscheidenden Schlüsseltechnologien von morgen: Nicht umsonst bezeichnet sie das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) als strategisches Forschungsfeld, dessen Anwendungen das Bild des 21. Jahrhunderts mitbestimmen werden.

Im Arbeitsraum fliegen die Späne — ein Fräser wirbelt durch den Stahl und gibt dem Werkstück die gewünschte, hochpräzise Form. Seine Frässpindel führen sechs kreisförmig angebrachte, spinnenbeinige Stäbe in allen Himmelsrichtungen kurvig oder geradlinig um das Rohteil herum. Diese Himmelsrichtungen heißen bei den Maschinenbauern „Achsen“, und die Rede ist von „Hexapoden“, futuristisch anmutenden Werkzeugmaschinen der neuesten Generation. Solchen Produktionsanlagen mit sogenannter paralleler Bewegungskinematik trauen die Fertigungsexperten einiges zu — sie gehören zu den Hoffnungsträgern der Branche, geht es um mehr Schnelligkeit und Steifigkeit bei gleichzeitig einfachem und kostengünstigem Maschinenaufbau als schlagkräftige Argumente im weltweiten Wettbewerb.

Sie sind das Herzstück von CD-Spielern, Laserdruckern, Scannerkassen und der optischen Datenübertragung. Sie sind im Alltag längst verbreitet. Doch kaum jemand bekommt die winzigen Lichtspender direkt zu sehen. Unbemerkt und zuverlässig verrichten sie ihre Präzisionsarbeit: Diodenlaser, kleine Halbleiterchips, die Laserstrahlung aussenden. Ein Licht, das — anders als Tageslicht oder gewöhnliche Lampen, die stark streuen — seine gesamte Energie in einem gebündelten Strahl zusammenhält. Laserstrahlung läßt sich auf engstem Raum fokussieren und in winzigen Zeitintervallen pulsen. Diese phantastischen Eigenschaften machen den Laser zu einem universalen Werkzeug — stark genug, um härtesten Stahl zu durchbohren und sanft genug, um empfindliche Augen zu operieren.

Spätestens seit der Einführung der Katalysatoren für Autoabgase sind die Begriffe Katalyse und Katalysator weithin bekannt. Wenige jedoch wissen, daß die Katalyse ein in der Natur weit verbreitetes Phänomen ist. Ohne sie gäbe es kein Leben auf unserem Planeten. Es gäbe aber auch keine chemische Industrie und deren unzählige Produkte, die in allen Bereichen unseres Lebens eine wichtige, teils existentielle Rolle spielen. So steht hinter Ernährung, Erhaltung unserer Gesundheit, Schaffung vieler Dinge des täglichen Bedarfs die chemische Industrie mit ihrer Vielzahl katalysierter Verfahren. Diese Seite der modernen Chemie hat in den Industrieländern eine immense Bedeutung. Während die Katalyse ursprünglich auf die chemische Industrie beschränkt war, wo mehr als 90 Prozent aller Produkte im Verlaufe ihrer Herstellung katalytische Verfahren durchlaufen, finden wir sie heute im Umweltschutz, in der Bereitstellung von Energie, bei der Herstellung neuer Materialien und vielem mehr.

Befragt nach den großen Herausforderungen an die moderne Industriegesellschaft im kommenden Jahrhundert, gab der durchschnittliche Deutsche im letzten Jahr zunächst die Sicherung und Schaffung von Arbeitsplätzen, die Bewahrung des Lebensstandards und schließlich den Erhalt der Umwelt an. Daß diese drei, oft in einem Atemzug genannten pauschalen Aussagen durchaus konträr zueinander liegen, zeigt ein Blick auf unseren Globus.

Alle modernen Verbrennungsverfahren haben ein gemeinsames Konstruktionsmerkmal: Eine ausgeklügelte Technik bereitet aus dem gasförmigen, flüssigen oder festen Brennstoff und der Luft ein zündfähiges Gemisch. Die Gemischbildung stellt ein entscheidendes Kriterium für die Qualität der Verbrennung dar. Bei Inhomogenitäten, gleich welcher Art, bilden sich verstärkt Schadstoffe. So treten bei Mangel an Sauerstoff im Abgas mehr unverbrannte Kohlenwasser-stoffe und Ruß auf. Zugleich steigt die Verbrennungstemperatur, aus dem Luftstickstoff und dem Sauerstoff entstehen zusätzlich schädliche Stickoxide.

Unter Membranen versteht man flächige, teildurchlässige Gebilde, also Strukturen, die für zumindest eine Komponente eines sie berührenden Fluids — einer Flüssigkeit oder eines Gases — permeabel, für andere hingegen undurchlässig sind (Bild 1).

Die Raumfahrt, insbesondere die bemannte, ist in jüngster Vergangenheit wegen der notwendigen finanziellen Aufwendungen in der öffentlichen Diskussion unter verstärkten Druck geraten. Leider wird in Deutschland diese Debatte weitaus intensiver geführt als in anderen Ländern. Tatsache ist jedoch, daß die Raumfahrt längst Einzug in das alltägliche Leben gehalten hat. Jeder kennt die Satellitenbilder aus dem Wetterbericht. Die Vorhersagen sind nützlich für die Landwirtschaft und den Straßenverkehr. Die Luftfahrt ist auf verläßliche Wetterprognosen aus dem All angewiesen. Aber auch die Auswirkungen wetterbedingter Katastrophen können mit Hilfe verbesserter Vorhersagen durch Satelliten drastisch reduziert werden.

Der Leichtbau ist aus ökonomischen und ökologischen Gründen ein besonders wichtiges Gebiet für Ingenieure. So denken sie bei Flugzeugen und Autos darüber nach, die hohe Biegesteifigkeit bestimmter Strukturbauteile mit einer geringen Gesamtdichte und funktionellen Eigenschaften wie der Energieabsorption zu verbinden. Dadurch sinken die Kosten für den Hersteller und den Nutzer. Die notwendigen Investitionen verringern sich, und zugleich lassen sich die Umweltbelastung und die Ausbeutung knapper, natürlicher Ressourcen mindern. Leichtbaustrukturen zielen auf eine nachhaltige Entwicklung und bieten auf der Basis metallischer Werkstoffe sehr vielseitige technische Lösungen (Bild 1).

Ob moderne Medizintechnik, medizinische Produkte oder hochwirksame Implantate: Ohne Mikroelektronik ist keiner dieser Brennpunkte wissenschaftlichen Forschens und ärztlicher Kunst heute noch denkbar. Denn mikroelektronische Schaltungen können zu intelligenten, miniaturisierten Systemen mit hoher Funktionalität und Komplexität integriert werden.

Kunststoffe, auch Polymerwerkstoffe genannt, sind synthetisch hergestellte, aus Makromolekülen aufgebaute Werkstoffe. Zahlreiche Kunststoffprodukte, mit denen wir täglich ganz selbstverständlich umgehen, sind mit traditionellen Werkstoffen gar nicht denkbar. So zeigen sich bei der Compact Disc als Medium für Musik- und Datenaufzeichnung einige besondere Eigenschaften von Kunststoffen. Man nutzt hier die Möglichkeit der rationellen Herstellung äußerst präziser Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich. Zahlreiche neue Produkte der Mikrotechnik aus Kunststoffen werden in der nächsten Zeit hinzukommen.

Das im Hochofen gewonnene Roheisen wird erst durch das sogenannte Frischen zu Stahl, denn mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa vier Prozent ist es spröde und nicht verformbar. Stähle weisen zumeist einen Kohlenstoffgehalt von weniger als zwei Prozent auf und verfügen über ein großes Spektrum an chemischen, physikalischen, mechanischen sowie magnetischen Eigenschaften. Ursache hierfür sind die charakteristischen Eigenschaften des Elements Eisen: Es kann mit rund 75 weiteren Elementen des Periodensystems chemische Verbindungen eingehen oder mit ihnen legiert werden. Nun sind technische Eisenwerkstoffe - also Stähle - aus mindestens vier, häufig bis zu zehn Legierungselementen aufgebaut, deren Kombination eine Vielzahl möglicher Legierungen erlaubt. Die derzeit genutzten 2000 unterschiedlichen Stähle sind nur ein Bruchteil der theoretisch denkbaren Eisenlegierungen.

Ein Fertigungsprozeß besteht in der Regel aus einer Folge von Fertigungsschritten, und zwar aus den sechs Hauptgruppen der Fertigungstechnik: Urformen, Umformen, Trennen, Fügen, Beschichten und Stoffeigenschaften ändern. Natürlich ist von großem wirtschaftlichen Interesse, wenn Prozeßverkürzungen durch Wegfallen einer oder mehrerer Prozeßstufen erreicht werden können. Ein Beispiel für eine extreme Prozeßverkürzung ist die Stahlbandherstellung durch die Kombination der Verfahren Gießen und Walzen (Bild 1; siehe auch vorhergehenden Beitrag).

Ein Tropfen Öl an der richtigen Stelle hat mitunter nachhaltige Folgen: Verklemmte Fenster öffnen sich wieder leicht. Quietschende Fahrradketten laufen plötzlich geräuschlos. Aber nicht nur im Haushalt, vor allem auch in der Industrie sind Schmierstoffe unverzichtbar. Allein der Maschinenbau verbraucht jährlich weit mehr als eine Million Tonnen, und somit ist es auch nicht verwunderlich, daß solche großen Schmierstoffmengen nicht nur nützen, sondern auch Umwelt und Gesundheit belasten

Die qualitative und quantitative Verbesserung von Entwicklungsprozessen ist derzeit ein Thema in allen ingenieurwissenschaftlichen Disziplinen. Der 1997 eingerichtete Sonderforschungsbereich (SFB) IMPROVE (Informatische Unterstützung übergreifender Entwicklungsprozesse in der Verfahrenstechnik) konzentriert sich auf Entwicklungsprozesse in Chemie- und Kunststofftechnik. Dabei betrachten wir einen Ausschnitt der Entwicklungsprozesse, den konzeptuellen Entwurf, der auch Basic Engineering genannt wird. In diesem Teilprozeß werden Anlagen entworfen, ihr Verhalten simuliert, Stoffdaten aufbereitet und gesammelt, die Wirtschaftlichkeit einer Investition abgeschätzt und so weiter. Der Teilprozeß ist der detaillierten Konstruktion einer Anlage vorgeschaltet (Detail Engineering). Seine Wichtigkeit ergibt sich daraus, daß in diesem Teilprozeß bereits die wesentlichen Entscheidungen getroffen werden, welche die Wirtschaftlichkeit der Anlage und die Qualität des hergestellten Produkts bestimmen.

Der Energiebedarf der Menschheit kann auf Dauer nicht aus fossilen Energieträgern bereitgestellt werden, da diese unabhängig von der schon begonnenen Kohlendioxid-Diskussion nur in begrenztem Maße zur Verfügung stehen. Eine nachhaltige Energieversorgung ist ausschließlich bei Nutzung der einzigen kontinuierlichen Energiezufuhr zum Planeten Erde möglich: der Sonnenstrahlung oder der sich aus ihr ergebenden Effekte wie etwa Wettervorgänge oder Biomasseproduktion. Um die Solarenergie direkt nutzen zu können, sind besondere technische Anstrengungen erforderlich. Der Grund dafür liegt in der geringen Energiedichte ihrer Strahlung und deren zeitlich und örtlich kaum vorhersagbarer Variabilität. Anhand zweier Beispiele wollen wir im folgenden die Probleme darstellen, die bei einer effektiven Nutzung der Solarenergie zu berücksichtigen sind: zum einen im Hinblick auf die photovoltaische Umwandlung solarer Einstrahlung auf Gebäudefassaden, zum anderen bei der Erzeugung solarer Hochtemperaturprozeßwärme mit Hilfe konzentrierter Direktstrahlung.

Die Klimaprobleme wachsen, die Nachfrage nach Energie steigt ständig. Gleichzeitig verringern sich die Rohstoffreserven. Deshalb wird die Versorgung der Menschen mit Energie im kommenden Jahrhundert entscheidende Bedeutung haben. In einem Mix aus verschiedenen regenerativen Verfahren könnten auch biologische Prozesse zur Bereitstellung von Energie eine Rolle spielen, wenn ihre Wirkungsgrade deutlich erhöht werden können. Vor allem die im Laufe der Evolution über Jahrmillionen optimierten Prozesse der Photosynthese könnten eine wichtige Rolle spielen.

Auch in Zukunft wird die Kernenergie entsprechend den Erwartungen in der Energiewirtschaft weltweit in steigendem Umfang genutzt werden. Dazu sind jedoch einige strenge Anforderungen besonders in den Bereichen Sicherheit und Entsorgung zu erfüllen: Begrenzung des Schadens bei extremen Störereignissen, Minimierung der Emissionen im Betrieb, des gesamten Abfallvolumens und des Anteils langlebiger radioaktiver Stoffe sowie Verhinderung des Spaltstoffmißbrauchs. Besonders im Hinblick auf extreme Störereignisse schreibt das Deutsche Atomgesetz für zukünftige Kernkraftwerke vor, daß der Schaden auf die Anlage selbst beschränkt sein müsse. Unter dem Gesichtspunkt der Akzeptanz sind vor allem bei der Entsorgung und bei der Verhinderung des Spaltstoffmißbrauchs zukünftig überzeugende Lösungen unerläßlich.

Fossile Primärenergieträger stellen heute etwa 85 Prozent der Weltenergieversorgung, während nur etwa 15 Prozent auf nukleare Energie, Wasserkraft und andere Energieträger entfallen. Nach allen neueren Studien zur Entwicklung der Weltenergienachfrage ist mit einem globalen Wachstum im kommenden Jahrhundert zu rechnen (Bild 1). Zumindest für das erste Quartal erwarten die meisten Experten, daß Erdöl, Erdgas und Kohle überwiegend dieses Wachstum auffangen werden, da andere kostengünstige Energieträger noch nicht in ausreichendem Maße entwickelt sind.

Weltweit steigt der Energiebedarf, und global verschärfte Umweltschutzbestimmungen verlangen nach neuen Lösungen und Perspektiven für die Energieversorgung. Das Erreichen höherer Anlagenwirkungsgrade von Kraftwerken kann helfen, die Primärenergieressourcen zu schonen und den Schadstoffausstoß pro gewandelter Menge Energie zu senken.

Der Primärenergieverbrauch in Deutschland stagniert seit einigen Jahren; auch der Stromverbrauch steigt nur sehr langsam. Diese Entwicklung läßt den Schluß zu, daß in absehbarer Zeit in Deutschland nur noch wenige Kraftwerke gebaut werden müssen. Insbesondere soll der Zubau an kohlegefeuerten Kraftwerken eingeschränkt werden, denn das bei der Verbrennung fossiler Energieträger entstehende Kohlendioxid ist klimaschädlich und soll reduziert werden. Tatsache ist, daß Kohlekraftwerke — bezogen auf die erzeugte elektrische Energie — etwa doppelt soviel Kohlendioxid ausstoßen wie mit Erdgas gefeuerte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke. Dieser deutliche Unterschied liegt zum einem daran, daß bei Gas das Verhältnis von Kohlenstoff zu Wasserstoff geringer ist als bei Kohle. Zum anderen haben Gaskraftwerke einen höheren Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung.

Kraftfahrzeuge werden heute fast ausschließlich von Verbrennungsmotoren angetrieben — weltweit werden dazu jährlich über 50 Millionen Motoren (Stand 1998) gefertigt. Auch wenn sich das Grundprinzip und die wesentlichen Bauteile des Verbrennungsmotors gegenüber dem ersten Ottomotor vor über 100 Jahren kaum verändert haben, so hat in dieser Z it doch eine enorme Weiterentwicklung stattgefunden. Ist die Motorentechnik ausgereizt? Worin bestehen Potentiale zur Weiterentwicklung? Wird der Verbrennungsmotor im 21. Jahrhundert durch alternative Antriebssysteme abgelöst?

Unsere zukünftige Energieversorgung zu sichern ist eine der interessantesten Herausforderungen an die Ingenieurwissenschaften. Mit ihr verbinden sich Fragen an die Wissenschaftler: Wie können die natürlichen Ressourcen (Kohle, Erdgas, Erdöl) geschont werden? Welche Alternativen zu diesen Energieträgern stehen in welchem Umfang zur Verfügung? Wie können regenerative Energien (Wind, Sonne, Wasser) effizienter nutzbar gemacht werden?

Wir alle wissen, daß sich — nicht nur im Bereich der Energieversorgung — vieles ändern muß, wenn wir die Zukunft meistern wollen. Dabei kommt der Elektrizitätsversorgung mit ihrem wachsenden Anteil an der Gesamtenergiebilanz und ihrer Zugriffsmöglichkeit auf jegliche Art von Primärenergievorkommen im beginnenden neuen Jahrtausend eine besondere Bedeutung zu. Der Ingenieur weiß, daß diese Aufgabe nicht — wie teilweise vordergründig dargestellt — nur ökonomische und ökologische, sondern, damit eng verwoben, eine Vielzahl technischer Fragestellungen aufwirft. Diese reichen von komponentenbezogenen Entwicklungen bis zur systemübergreifenden Analyse und Optimierung.

Die Sprache ist für den Menschen die wichtigste Form der Kommunikation. Die Bedienung vieler Systeme, Geräte und Maschinen würde erheblich einfacher, und viele interessante Anwendungen würden sich ergeben, wenn der Computer die gesprochene Sprache (nahezu) perfekt erkennen und verarbeiten würde. Typisches Beispiel ist die Programmierung des heimischen Videorecorders. Hier könnten durch die automatische Spracherkennung vielfaches Tastendrücken durch einen einfachen Satz ersetzt werden: „Ich möchte übermorgen das Wirtschaftsmagazin gegen 21 Uhr im WDR aufnehmen.“

Das Wissensgebiet der Elektrotechnik und Informationstechnik wächst gegenwärtig dramatisch. In den 14 Jahren von 1982 bis 1996 stieg zum Beispiel die Anzahl internationaler Fachzeitschriften (IEEE) auf höchstem Qualitätsniveau — als Indikator für die Entwicklung — im Bereich Grundlagen von 36 auf 60, im Bereich der Anwendungen von 12 auf 24 und derer, die sich mit Weiterbildung befassen, von drei auf acht an. Vor diesem Hintergrund ist eine Aussage über Forschungspotentiale in der Kommunikationstechnik oder — spezifischer — im Mobilfunk als Teilbereich nicht leicht. Bislang Undenkbares wird viel wahrscheinlicher realisierbar sein als jemals zuvor. Informations- und Kommunikationstechnik befriedigen wie das Auto Elementarbedürfnisse der Menschen und werden deshalb auch in Zukunft erhebliche Nachfrage erzeugen und viele neue Produkte hervorbringen: Die Erfahrung lehrt, daß alles Machbare, das sinnvoll beziehungsweise verkäuflich ist, viel früher kommt als erwartet.

Kommunikation ist derjenige Modus des „Seins“ von Lebewesen, der die Bildung von Sozialbeziehungen, von Gemeinschaften und Gesellschaften ermöglicht. Für den Menschen hat die Sprache in diesem grundlegenden Zusammenhang besondere Bedeutung gewonnen. Sie hat die genetisch älteren Zeichensysteme wie Gestik oder Mimik im Lauf der Evolution so weit zurückgedrängt, daß wir heute oft alle diese verschiedenen Register unter dem Titel der nonverbalen Kommunikation der verbalen gegenüberstellen. Die Entwicklung der Sprache geht einher mit der einer spezifisch „menschlichen“ Technik. Sie ermöglicht deren Evolution, so wie diese die der Sprache vorantreibt. Die strukturelle Ursache dafür liegt in der Entwicklung des aufrechten Gangs und der daraus folgenden Entfaltung des mittleren Kortex. In diesem Raum bilden sich sowohl die sensomotorischen Gehirnzentren wie die Sprachzentren aus. Mit dem aufrechten Gang wird die Hand befreit und rückgekoppelt an die Kontrolle des Auges, sozusagen für die Technik freigegeben. Daß diese sich entwickeln kann, liegt an der gattungsgeschichtlich kontingenten Tatsache, daß sich parallel dazu im zweiten Rückkopplungskreis von Mund und Ohr die Sprache entwickelt. Technik im menschlichen Sinn beruht auf der Rückkopplung dieser beiden Rückkopplungskreise [1].

Die rasant verlaufende Medienrevolution am Ende des 20. Jahrhunderts bringt tiefgreifende Veränderungen der Kommunikationsformen und der Wissensorganisation in unserer Gesellschaft mit sich. Neue Informations- und Kommunikationstechnologien, insbesondere das Internet, ermöglichen den schnellen und direkten Zugriff auf vielfältigste Informationen in Schrift, Bild und Ton. Multimedia stellt für viele Anwender eine positive Entwicklung dar, aber es gibt wohl keine Gruppe in unserer Gesellschaft, die mehr von dieser neuen Entwicklung profitiert als die Gruppe der Gehörlosen. Während bislang der mediengebundene Informationsaustausch hauptsächlich Schriftoder lautsprachlich vonstatten ging, besteht für Gehörlose nun die Möglichkeit, Informationen direkt in der gestisch-visuellen Sprachmodalität, der Gebärdensprache, abzurufen und auszutauschen.

Das Internet ist in aller Munde. In den öffentlichen Debatten ziehen globale Vernetzungstechniken große Aufmerksamkeit auf sich. Das Internet verwickelt uns in Diskussionen, es irritiert unsere gängigen Vorstellungen und weckt Erwartungen wie auch Ängste hinsichtlich einer umfassenden Informationsgesellschaft. In Metaphern wie Datenautobahn, piazza virtuale, elektronische Agora oder globales Dorf drücken sich für die einen Hoffnungen auf gesteigertes Tempo und verstärkte Vernetzungs- und Beteiligungschancen aus. Für die anderen sind damit eher Befürchtungen verbunden: vor einer weiteren Auflösung gegebener Ordnungen in Zeit und Raum sowie einer Überformung der Realität durch virtuelle Welten. Wie sind diese Spekulationen einzuschätzen? Wie ist die Angst vor der Auflösung bestehender Raum-Zeit-Ordnungen zu bewerten?

Bahnbrechende technische Neuerungen haben stets große ökonomische und gesellschaftliche Veränderungen nach sich gezogen: ohne Dampfmaschine kein Kapitalismus, ohne Verbrennungsmotor kein Massenverkehr, ohne Elektrizität und Maschinisierung der privaten Haushalte keine Frauenerwerbsarbeit. Ähnlich ist es bei den Entwicklungen auf dem Gebiet der Kommunikationstechnik. In diesem Sektor, in dem es um die Weitergabe und Verbreitung von Informationen und Wissen geht, haben Neuentwicklungen kulturelle und politische Konsequenzen.

Schlagwörter wie „Distance Learning“,„Teleteaching“ und „Multimediakurse“ sind, wenn es um die Zukunft der Universitäten geht, in aller Munde, aber sie beschreiben nur Teilaspekte der absehbaren Entwicklungen. Wenn auch nicht zu erwarten ist, daß ein weltweiter „virtueller Campus“ traditionelle Universitäten vollständig ersetzen wird, so werden sich doch Wissenserwerb und Wissensvermittlung grundlegend ändern. Für die Universitäten wird sich der Kundenkreis wesentlich erweitern; neben die Studierenden in herkömmlichen Diplom-, Magister- oder Promotionsstudiengängen werden andere Lernwillige treten: Die Nachfrage nach Aufbaustudiengängen mit fester Dauer, etwa zum Erwerb eines Master-Titels, oder nach Weiterbildungskursen für Erwerbstätige wird entscheidend steigen. Den Nutzern ermöglichen multimediale Distance-Learning-Kurse ein selbstgerichtetes Lernen mit all seinen Vor- und Nachteilen (Bild 1). Diese neuen Angebote werden, ebenso wie in Zukunft auch die traditionellen Studiengänge, auf einem weltweiten Markt konkurrenzfähig sein müssen. „Wir müssen Teil einer lernenden Gesellschaft werden, die rund um den Globus nach den besten Ideen, den besten Lösungen sucht“, stellte der damalige Bundespräsident Roman Herzog 1997 in seiner Berliner Rede fest [1]. Die Hochschulen müssen sich den Herausforderungen eines Lernens ohne Alters- und Ländergrenzen stellen. Wir möchten dazu einige Thesen formulieren.

Nicht zuletzt aufgrund der rasanten Entwicklung der Informations- und Kommunikationstechnologien rückt die Welt immer näher zusammen. Die Anforderungen an die Ausbildung der Mitglieder einer globalen Gesellschaft verändern sich damit stetig. Insgesamt wird das Umfeld von Hochschulen und Universitäten zunehmend dynamischer. Bestehende Strukturen der universitären Ausbildung müssen infolgedessen angepaßt und weiterentwickelt werden.

Bewohner und Wirtschaftsunternehmen unserer Städte wie auch der Städte und Siedlungen weltweit verursachen Verkehr, den sie seit altersher als gefährdend, belastend und beeinträchtigend empfinden. Mobilität, Verkehr und ihre Auswirkungen werden daher überall heftigst und emotional diskutiert.

Der weltweite Luftverkehr wächst stetig. So sind in den vergangenen 30 Jahren die jährlich geflogenen Passagierkilometer — das ist die Anzahl der beförderten Personen multipliziert mit der jeweils zurückgelegten Entfernung — nahezu auf das Zehnfache angestiegen. Gleichzeitig hat sich die Zahl der Flüge aber nur verdoppelt. Dies war nur durch die Fortschritte in der Flugzeugtechnik möglich: Transportkapazität und Reichweiten sind deutlich größer geworden. Außerdem hat sich das Flugzeug zu einem sehr zuverlässigen Verkehrsmittel entwickelt. Legt man nämlich die zurückgelegten Passagierkilometer zugrunde, ist Fliegen heute etwa zwanzigmal sicherer als der Straßenverkehr.

Der Individualverkehr mit Autos gerät in der umweltpolitischen Diskussion zunehmend unter Druck. Einerseits fordert unsere moderne Gesellschaft die Mobilität des Einzelnen, andererseits treten Schadstoffemissionen und Fahrzeuglärm immer stärker in Erscheinung. In den USA, und hier war Kalifornien der Vorreiter, wurde deshalb festgelegt, daß ab 2003 zehn Prozent aller neu zugelassenen Fahrzeuge sogenannte Zero Emission Vehicles (ZEV) sein müssen, also Autos ohne Abgase. In Europa existieren solche Pläne noch nicht.

Für einen Autofahrer ist es entlastend, wenn ihn in einer fremden Umgebung eine ortskundige Begleitperson sicher zu einem Ziel geleitet. Diese Rolle übernehmen neuerdings moderne Informationstechniken im Auto, sogenannte Navigatoren. Der Fahrer gibt in den Navigator ein Fahrziel ein, und über dessen Sprachausgabe hört er die Instruktionen zur Fahrstrecke, die ihn zum Ziel führen. Der Navigator „weiß“, wo wir uns befinden, hilft uns anhand eines Lageplans, uns über den aktuellen Standort zu orientieren, und kann uns so sicher an den Ort lenken, den wir erreichen wollen.

Gegenwärtig werden die ersten Einheiten der Internationalen Raumstation (ISS) in die erdnahe Umlaufbahn gebracht (Bild 1). Nur noch wenige Jahre trennen uns von einer ausgedehnten internationalen Zusammenarbeit im All, die nicht mehr vom Ost-West-Konflikt belastet ist. In der Vergangenheit war dieser Konflikt zweifellos einer der wesentlichen Antriebe für eine rasante Technologieentwicklung, die in der bisherigen Menschheitsgeschichte ohne Beispiel ist: Von den ersten Raketen bis hin zur Internationalen Raumstation sind kaum mehr als 50 Jahre vergangen (Bild 2).

Die Technologie der elektronischen Datenverarbeitung ist weit fortgeschritten und auf dem Weg, ein universelles, weltumspannendes Arbeitsmittel zu werden. Die Entwicklung des Internets zeigt, daß — zureichende Kapazitäten auf den Telefonnetzen vorausgesetzt — in wenigen Jahren der Datenaustausch über das World Wide Web der neue Standard der Zusammenarbeit sein wird. Dies gilt auch für graphische Informationen.

Von New York bis Sydney, von Barcelona bis Istanbul, von London bis Petersburg verlagert sich der Containerumschlag an die tieferen Fahrwasser für die neuen Jumbo-Frachtschiffe mit riesigen Opera­tionsflächen. Das bedeutet, daß der Schiffsverkehr der Zukunft nicht mehr die dafür meist zu flachen, zu engen und zu kleinflächigen Innenstadthäfen — ein Erbe aus dem 19. Jahrhundert — erreichen wird: Die Industriegesellschaft und ihre Logistik befinden sich im Wandel, und dieser erfaßt zunehmend radikal unsere geschichtlich gewachsenen Städte.

In den letzten 50 Jahren haben sich Volkswirtschaften in atemberaubendem Tempo zu Konsumgesellschaften entwickelt. Weltweit kommt hierbei der Montanindustrie die Aufgabe zu, eine gesicherte Versorgungsbasis mit mineralischen Rohstoffen und mit Halbfertigprodukten als Voraussetzung für stetiges Wachstum sicherzustellen. Die Nutzung von energetischen und mineralischen Rohstoffen bildet also eine wesentliche Grundlage unserer Zivilisation. In diesem Zusammenhang haben vom Menschen bewegte Stoffströme, also Stoffe auf dem Weg von ihrer Gewinnung über die Stufe des Endprodukts bis zur Entsorgung, mengenbezogen und hinsichtlich ihrer Qualität eine Dimension angenommen, die den globalen Stoffhaushalt insgesamt beeinflußt. Um beispielsweise ein Kilogramm Gold zu gewinnen, müssen rund 350.000 Kilogramm Gestein bewegt und bearbeitet werden [11. Bei einer jährlichen Weltproduktion von etwa 2300 Tonnen Gold sind dies rund 800 Millionen Tonnen bewegtes und bearbeitetes Gestein. Verladen auf Lkw würden diese aneinandergereiht eine Strecke zwischen der Erde und dem Mond ergeben (Bild 1).

Die Technologien des kommenden Jahrhunderts sollen dem Menschen nicht nur größere Leistungsfähigkeit, Arbeitseffizienz und Mobilität ermöglichen, sondern ihm auch zu mehr und besserer Lebensqualität verhelfen. Die Einführung neuer Systeme zur Erzeugung, Übertragung und Umwandlung von elektrischer Energie sowie für die Übermittlung von Informationen mittels elektromagnetischer Felder steht unmittelbar bevor. Ihre wirtschaftlichen Vorteile werden bereits offensichtlich, mögliche Nebenwirkungen auf den Menschen indes sind bislang noch wenig erforscht.

Im Science-fiction-Roman von William Gibson „Neuromancer“ verlassen Cyberpunks als Software-Cyborgs ihren Körper und die reale Welt. Sie erhalten eine künstliche Körperlichkeit. Diese kann moduliert und fragmentiert werden — eine Zersplitterung des ganzheitlichen Subjekts in Pseudonyme und Agenten, die „lautlos durch das Netz schleichen“ [1].

Starke Erdbeben gehören zu den verheerendsten Naturkatastrophen. Sie bringen erhebliche Verluste an Menschenleben und Vermögen mit sich und sind seit jeher eine große Herausforderung für die Technik (Bild 1). Vor allem Bauingenieure suchen nach Möglichkeiten, das Risiko für Schäden durch geeignete Planung, Konstruktion und Bemessung von Gebäuden gering zu halten.

Heißt das nicht den Mund etwas zu voll genommen, wenn man von einem Jahrtausend der Genomforschung spricht, wohl wissend, daß die Ursprünge der Genetik — der Wissenschaft von der Vererbung — eigentlich erst weniger als 150 Jahre zurückliegen? Es waren die Arbeiten Gregor Mendels (veröffentlicht in Brünn im Jahre 1866), die den Grundstein für die heutige Genetik und damit die Genomforschung legten. Blicken wir einmal auf die Nachbarwissenschaften und lassen wir einen unserer großen Mathematiker sprechen, David Hilbert, der im Jahre 1862, also vier Jahre vor Veröffentlichung der Mendelschen Gesetze, in Königsberg geboren wurde. Er hat beim internationalen Mathematikerkongreß, der 1900 zum zweiten Male stattfand, 23 offene Probleme der Mathematik formuliert. Für ihre Lösung haben Generationen von Mathematikern ein ganzes Jahrhundert gebraucht, und trotzdem sind drei seiner Fragen (nach meiner bescheidenen Kenntnis) noch unbeantwortet. Dank der Hilbertschen Beweistheorie können die Mathematiker jedoch hoffen, daß jede ihrer Aufgaben entweder gelöst oder die Unmöglichkeit ihrer Lösung bewiesen werden kann. Es ist also nur eine Frage der Zeit.

Aus den Medien erfahren wir in der letzten Zeit zunehmend, daß molekulargenetische Untersuchungen an Tausenden von Männern zum Täter eines tödlichen Gewaltverbrechens, zum Beispiel eines Sexualdelikts, führen. Der Beweiswert derartig gewonnener Ergebnisse gilt inzwischen als sicher, selbst für entsprechende strafrechtliche Konsequenzen.

Im Bereich der Biowissenschaften werden in zunehmendem Maße magnetische Polymerpartikel eingesetzt, um Zellen und Biomoleküle — wie Antikörper, DNA-Fragmente, Proteine, Hormone und Antigene — zu trennen, zu analysieren oder zu diagnostizieren.

Die Diagnostik und Therapie der klinischen Neurologie und Neurochirurgie fußen heute ganz wesentlich auf einer bildlichen Darstellung des Gehirns und der Untersuchung seiner gesunden oder durch Krankheit veränderten Funktionen. Während der letzten zwei Jahrzehnte wurden Methoden der strukturellen Bildgebung, RöntgenComputer-Tomographie (CT) und Magnet-Resonanz-Tomographie (MRT) entwickelt, mit denen die Organstrukturen mit einer räumlichen Auflösung von rund einem Millimeter abgebildet werden können. Daneben existieren Methoden zur funktionellen Bildgebung, die Stoffwechselvorgänge oder den Blutfluß mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) und der funktionellen MagnetResonanz-Tomographie (fMRT) messen. Ein weiterer Weg, den Funktionszustand des Gehirns zu untersuchen, bietet die Ableitung der elektrischen beziehungsweise magnetischen Aktivität des Gehirns, das Elektroenzephalogramm (EEG) und das Magnetenzephalogramm (MEG). Der Vorteil liegt hierbei in der sehr hohen Zeitauflösung der gemessenen Daten in Sub-Millisekunden, während PET oder fMRT eine Auflösung im Bereich von rund einer Sekunde besitzen. Ein weiterer Bonus des EEGs sind die deutlich geringeren Kosten, die nur ein Fünftel bis ein Zwanzigstel dessen betragen, was beim Einsatz der PET oder der fMRT aufgewendet werden muß.

Wer ein Bild betrachtet, einen Text liest, ein Fahrzeug steuert oder die Qualität eines Produktes an einer Fertigungsstraße kontrolliert, führt eine Vielzahl von Augenbewegungen aus. Sie lassen sich mit den verschiedenartigsten Methoden registrieren. Die Technik der Messung ist heute so weit fortgeschritten — und sie entwickelt sich beständig weiter -, daß sie mit großem Gewinn bei der Erforschung kognitiver Prozesse und als Analyse-Instrument für Fragen der Anwendung genutzt werden kann. Dabei wird eine Meßgenauigkeit erreicht, die höchste räumliche und zeitliche Auflösung eines Blickpfades ermöglicht (Bild 1). So konnten wir beispielsweise mit neuester Meßtechnik erstmals das Zusammenspiel der beiden Augen beim Lesen genauer untersuchen.

„Der Sound gefällt mir“, sagt der Kunde und kauft den Wagen. Eine angenehme akustische Gestaltung und möglichst wenig störender Lärm werden als Verkaufsargumente immer wichtiger. Deshalb gilt es, die Zusammenhänge zwischen der Funktion eines Produktes und seinem Geräuschverhalten möglichst früh, nämlich schon bei der Entwicklung, zu berücksichtigen. Dabei kommt unmittelbar die ganze Komplexität der Schallerzeugung, seiner Übertragung und Aufnahme beim Menschen zum Tragen. Das heutige Schlagwort „Sound Design“ verdeutlicht, wie sehr inzwischen technisch-akustische und psychologische Elemente bei der Produktentwicklung im Bereich Maschinenbau einbezogen sind.

Die Organtransplantation gehört zu den wohl faszinierendsten medizinischen Errungenschaften des 20. Jahrhunderts. In den letzten 30 Jahren hat sich die Verpflanzung von Nieren, Herzen, Lebern oder Bauchspeicheldrüsen zu einer nunmehr klassischen Behandlungsform entwickelt, wenn diese Organe versagen. Emmerich Ullmann in Wien und Alexis Carrel in Lyon haben Anfang des Jahrhunderts die technische Voraussetzung für die Transplantationschirurgie geschaffen, indem sie die Gefäßnaht perfektionierten. In den folgenden Jahren wurden in einigen verzweifelten Fällen bereits Schweine- und Ziegennieren (erfolglos) auf Menschen übertragen; daß menschliche Organe als Transplantat in Frage kommen könnten, war noch unbekannt. Erst Anfang der sechziger Jahre begann die Entwicklung der klinischen Transplantationsmedizin, seit uns Medikamente zur Verfügung stehen, mit denen wir die unvermeidliche Abstoßungsreaktion unterdrücken und behandeln können.

Biomaterialien sind nach der Definition der Brockhaus-Enzyklopädie „Werkstoffe für Implantate zum Gliedmaßen- und Funktionsersatz, an die wegen ihres Kontaktes mit Körpergewebe und -flüssigkeiten besonders hohe Anforderungen gestellt werden“. Über die Art der Anforderungen gibt uns das Lexikon allerdings keine Auskunft, und in der Tat sind diese, gerade was den Kontakt mit dem Biosystem angeht, weitestgehend unbekannt.

Die Parodontitis ist Folge der lokalen und systemischen Körperreaktion auf einen Infekt mit Mikroorganismen und führt zu einer Zerstörung des Zahnhalteapparates. Betroffen sind dabei alle Anteile wie Zahnfleisch, Wurzelhaut, Wurzelzement und Alveolarknochen.

Unter enossaler Implantologie verstehen wir heute die Verankerung von Fremdmaterialien im Bereich des Kiefers, um Halte- und Stützelemente für den Ersatz verlorengegangener Zähne zu schaffen.

Vielerlei äußere und innere Einflüsse können die Krebskrankheit auslösen. Sie beruht jedoch immer auf einer dauerhaften Veränderung in der Erbmasse (DNA) und durchläuft bestimmte Stationen der Entwicklung (Bild 1). Drei Eigenschaften der Tumorzellen sind besonders bemerkenswert: das ungezügelte Wachstum der Zellen, das Unvermögen der Tumorzellen, eines natürlichen Todes im Zellverband zu sterben, und die Eigenschaft der malignen (bösartigen) Tumorzellen, Absiedlungen zu setzen (Metastasierung).

Innovationen und der Einsatz neuer Techniken beeinflussen das medizinische Fachgebiet der Radioonkologie erheblich; sie ermöglichen heute eine Tumortherapie mit größerer Effektivität. Weil die Bestrahlung zunehmend individueller geplant werden kann, ist der therapeutische Gewinn — sei es mit schmerzlindernder oder kurativer Intention — erhöht; die Exposition des gesunden Gewebes während einer Tumorbehandlung läßt sich gleichzeitig auf das notwendige Minimum reduzieren, so daß die Lebensqualität der Patienten kaum beeinträchtigt wird.

Nach Zauberei und Illusion klingt der Titel dieses Beitrags. Was häufig mühsames Handwerk und hohe chirurgische Kunst ist, soll viel einfacher, ohne schmerzhaften Schnitt zu erreichen sein? Die Physik, Technik und Biologie setzen der Medizin klare Grenzen, helfen jedoch auch, Schranken zu überwinden. Die interventionelle Radiologie ist dafür ein klassisches Beispiel. Sie wurde durch die Entwicklung der Röntgentechnik und die durchleuchtungsgezielte Steuerung von feinen Instrumenten möglich. Damit ist sie ein Teil der minimalinvasiven Behandlungsmöglichkeiten, die auch im 21. Jahrhundert eine bedeutende Rolle spielen werden.

Die Plastische Chirurgie, die oft nur als reine Schönheitschirurgie angesehen wird, beinhaltet die Versorgung von Handverletzungen, Verbrennungen sowie wiederherstellende Maßnahmen am gesamten Körper. Plastische Chirurgen behandeln nicht nur akute Verletzungen, sondern rekonstruieren auch chronische Defekte und Fehlbildungen. Natürlich werden dabei neben der Wiederherstellung der Funktionen auch ästhetische Grundprinzipien berücksichtigt.

Die rasante Entwicklung der Computertechnologie hat zu einer Umorientierung von Arbeits- und Verhaltensweisen in vielen Bereichen des täglichen Lebens geführt. Schlagworte wie Internet oder Virtual Reality sind Gegenstand der öffentlichen Diskussion und haben große Auswirkungen auf das Freizeitverhalten des modernen Menschen. Nur indirekt spürbar hingegen ist der Nutzen, den Forschung und Wissenschaft aus der gewaltigen Steigerung der Rechenleistung heutiger Computer in den letzten Jahren gezogen haben. In medizinischer Hinsicht sind dies vor allem neue Diagnoseverfahren und Operationstechniken, die größere Heilungserfolge ermöglichen. Am Beispiel künstlicher Hüftgelenke soll hier eine Perspektive aufgezeigt werden, wie der Einsatz einer individuellen Operationsplanung und -durchführung in der Zukunft aussehen könnte.

Der Fokus der in Aachen erstmals an einer deutschen Universität eingerichteten Professur für Berufliche Rehabilitationspsychologie richtet sich auf ihre arbeits- und organisationspsychologischen Aspekte. Die berufliche Rehabilitation zielt auf die umfassende Reintegration von Menschen in den Arbeitsmarkt ab, die aufgrund einer Krankheit oder Behinderung ihren bisherigen Beruf nicht mehr ausüben können.

Die Unternehmen der Zukunft werden zwei zunächst widersprüchlich erscheinende Tendenzen kennzeichnen: Einerseits verschmelzen sie zu immer größeren globalen Konglomeraten, andererseits bilden sich regionale und überregionale Netzwerke aus kleinen, selbständigen Einheiten, die in zeitlich begrenzten Allianzen Projekte abwickeln. Die Stichwörter hierfür lauten Fusion, Dezentralisierung, Profitcenter und Outsourcing.

Ein herkömmlicher Tag im Jahr 2002. Eine Kundin besucht ein Schuhgeschäft in München. Nach der Auswahl eines ihrem Geschmack entsprechenden Schuhs nimmt die Verkäuferin einen Abdruck der Füße, den ein Laser sodann in einem speziellen Meßgerät scannt. Wenige Minuten später treffen die Daten im Berliner Werk des Schuhherstellers ein. Dort werden in einem 3-D-Printer mit einem Verfahren, das sich Rapid Prototyping nennt, die individuellen Schuheinlagen gefertigt. Drei Stunden später durchlaufen sie die Qualitätskontrolle und werden anschließend an das Schuhgeschäft in München ausgeliefert. Am nächsten Tag holt die Kundin ihren individuell angepaßten Schuh ab.

Am Ende des 20. Jahrhunderts ist es zu einem tiefgreifenden Wandel der internationalen Wirtschaftsbeziehungen gekommen. Die weltwirtschaftlichen Verflechtungen haben rapide zugenommen. Die Wirtschaftswissenschaft spricht von Globalisierung und meint damit einen unaufhaltsamen Trend zur Ausweitung internationaler Märkte für Güter, Dienstleistungen, Kapital, Technologien und sogar Arbeitskräfte. Vor diesem Hintergrund erhebt sich der Ruf nach einer Globalisierung der Wirtschaftspolitik, und die Rohstoffpolitik ist ein bedeutsamer Teil davon. Internationale Rohstoffpolitik hat allerdings schon eine Tradition von 50 Jahren, denn sie begann mit der ersten großen Welthandelskonferenz der Vereinten Nationen in Havanna, Kuba, im März 1948. Deshalb geht es bei der Rohstoffpolitik nicht so sehr um eine weitere Globalisierung, sondern um eine Neuorientierung, die ein neues Gesamtkonzept mit neuen Instrumenten und Maßnahmen beinhaltet.

Unter aktuellen Diskussionen wirtschaftspolitischer Themen nehmen solche zu Arbeitsmärkten, Arbeitslosigkeit und Arbeitsqualifikationen eine Spitzenposition ein. In Deutschland ist die Arbeitslosenquote regional stark polarisiert: Zwischen vier und rund 20 Prozent, in Aachen betrug sie im März 1999 14,3 Prozent. Blickt man vergleichsweise nur auf die Mitgliedsländer der Europäischen Union, so werden unter anderem im mediterranen Raum noch weitaus höhere Werte erzielt.

Der technische Fortschritt war in seinen beiden Formen, Prozeß- und Produktinnovationen, die Basis für das intensive Wachstum der vergangenen 200 Jahre. Intensives Wachstum führt zu steigenden Pro-Kopf-Einkommen und ist damit die Voraussetzung für den Massenwohlstand. Das extensive Wachstum der vorindustriellen Epoche bewirkte lediglich eine Parallelentwicklung von Bevölkerungszunahme und gesamtwirtschaftlicher Wertschöpfung. Das Durchschnittseinkommen blieb im günstigsten Fall konstant. Meistens sank es jedoch infolge der Ertragsgesetzwirkung, und die Bevölkerungszunahme lag oberhalb der Steigerungsrate der Nahrungsmittelproduktion.

Unter der provozierenden Überschrift „Die Vordenker von morgen sind sprachlos“ fordert Andreas Leimbach in den „VDI-Nachrichten“ vom 20. Februar 1998: „Die Ingenieurgeneration von morgen darf eines sicher nicht sein: ohne gründliche Kenntnisse in Fremdsprachen. “ Er bezieht sich auf die Ergebnisse einer Studie der Hochschul-Informations-System GmbH (HIS) in Hannover. Dieser Untersuchung zufolge kann von Mehrsprachigkeit deutscher Studierender und ihrem selbstverständlichen Gebrauch von Fremdsprachen überhaupt nicht die Rede sein. Ausgerechnet bei Ingenieuren, so Leimbachs Resümee, bestehe „ein eklatantes Mißverhältnis zwischen den Anforderungen des Arbeitsmarktes und der eigenen Einschätzung... Während in 55 Prozent der Stellenanzeigen für Ingenieure Englischkenntnisse verlangt werden (soviel wie in keiner anderen Branche) und ein Fünftel dieser Stelleninternationale Reisefähigkeiten’ verlangen, glauben überdurchschnittlich viele Ingenieurstudierende nicht so recht, daß ihre eigenen Sprachaktivitäten während des Studiums wichtig sein können. Zudem ist das Angebot an attraktiven Sprachkursen an deutschen Hochschulen rar.

Schon heute sind auf dem Arbeitsmarkt Trends absehbar, die unser Verständnis von Arbeit, Bildung und (Privat-)Leben spürbar verändern werden. Die Bereitschaft und Fähigkeit, kontinuierlich zu lernen, wird bei diesen Veränderungen immer wichtiger. Denn es kommt darauf an, fachliche und überfachliche Kompetenz sowohl in der Erstausbildung als auch später berufsbegleitend weiter auszubauen. Im Rahmen der Ingenieurausbildung gilt es, entsprechende Voraussetzungen zu schaffen, damit Ingenieure und Ingenieurinnen diese Kompetenz erwerben können.

Die Psychologie befaßt sich allgemein mit dem Erleben und Verhalten von Lebewesen; an der RWTH Aachen steht dabei der arbeitende Mensch im Vordergrund. Ein Ansinnen der Psychologen ist es, allgemeine Gesetzmäßigkeiten menschlichen Verhaltens zu entdecken, ein anderes, gerade die individuellen Unterschiede zwischen Menschen sichtbar und für die Gesellschaft sowie für den Einzelnen nutzbar zu machen.

Was kann Geschichtswissenschaft in einer Gesellschaft leisten, die einem radikalen technologischen Wandel unterliegt? Wie kann Historik beanspruchen, Orientierungswissen für die Gegenwart zu erzeugen, wenn sie ihre Erkenntnisse aus weit zurückreichenden Schichten der Vergangenheit bezieht? Das Unbehagen, das Jetzt angemessen zu beschreiben, wird in einer Vielfalt von Begriffen wie „Informationsgesellschaft“, „Wissensgesellschaft“ oder „Postmoderne“ erkennbar. All diese Bezeichnungen verweisen auf ein grundlegend Neues, auf den Bruch mit überlieferten Erfahrungsmustern.

In dem Projekt „Philosophie und Praxis“ des Lehrstuhls für allgemeine Philosophie an der RWTH Aachen geht es um den Versuch, handlungsrelevantes philosophisches Wissen gezielt und systematisch für die Praxis aufzubereiten und insbesondere an Entscheidungsträger aus Wirtschaft, Politik und Gesellschaft zu vermitteln.

Jahrhunderte, Jahrzehnte, Jahre, Monate, Wochen, Tage, Stunden und so weiter sind Zeiteinheiten, in deren Verlauf eine wie auch immer geartete Abfolge von Aktivitäten oder Ereignissen stattfinden kann. Solche temporalen Muster gewinnen insbesondere an Bedeutung, wenn Zeitstrukturen — oder genauer: deren Fixpunkte — nicht länger die Aktivitäten und deren Reihenfolge bestimmen.

Es ist keine rhetorische Frage, wenn ein Literaturwissenschaftler heute den Titel der Antrittsvorlesung Friedrich Schillers, die er 1789 in Jena hielt, übernimmt — leicht abgewandelt, weil er statt der „Universalgeschichte“ die Literaturgeschichte meint. An der Schwelle zum 21. Jahrhundert ist eine solche Frage naturgemäß eine nach der künftigen Bedeutung eines Faches, von dem manche sagen, es habe eine glänzende Zukunft hinter sich.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts sehen sich die Universitäten Europas in ihrer Funktion als Bildungs- und Forschungsstätten mit einer neuen Situation konfrontiert. Sie müssen sich verstärkt auf grenzüberschreitende Kooperationen einlassen und dem Wettbewerb stellen, wenn sie motivierte und qualifizierte Studierende und wissenschaftlichen Nachwuchs gewinnen und Forschungsmittel erfolgreich einwerben wollen. Die unter dem Schlagwort Internationalisierung zusammengefaßte Entwicklung ist die zwangsläufige Folge davon, daß nationale Grenzen ihre Bedeutung verlieren.

Das zu Ende gehende 20. Jahrhundert war für die Naturwissenschaften und die Technik eine stürmische Zeitspanne, die in nur 100 Jahren zwei völlig verschiedene Gesichter von Forschung und ihren Folgen erkennen ließ. Die ersten zwei Drittel dieses Jahrhunderts waren gekennzeichnet vom Aufbruch in eine unerschöpflich scheinende Zukunft von Wissenschaft und Technik, nahezu von einem Glauben an den technischen Fortschritt als dem Weg, auf dem sich schließlich alles erreichen ließe. Das letzte Drittel des Jahrhunders stürzte uns in tiefe Skepsis, ob all das zuvor Erreichte uns wirklich vorangebracht hatte und in seinen Auswirkungen zu verantworten war.