Stahl – ein vielseitiger Werksto - Junge Wissenschaft

Junge
Ausgabe Nr. 84 // 24. Jahrgang // 2009
Wissenschaft
Jugend forscht in Natur und Technik
Young Researcher
The European Journal of Science and Technology
Medienpartner des
Wissenschaftsjahres 2009
Stahl –
ein vielseitiger
Werkstoff
Themen:
Gebäude im Tsunamistrudel // Mindestens 17 müssen
es sein // Organe aus dem Spinnennetz // Widerstand
zwecklos // Wenn sich das Gehirn selbst betrachtet
Das Magazin
für Nachwuchsforscher
Innovative Experimente, wissenschaftliche Beiträge und spannende Ergebnisse:
Außerdem im Heft: Ganz großes Kino auf der Edelstahlhülle //
Stiftung Jugend forscht e.V. // Weltrekord im Brückenbau –
das Viadukt von Millau // Hochschulportrait TU Bergakademie Freiberg //
Studienführer Werkstoff- und Materialwissenschaften und vieles mehr...

Dank
Vielen Dank allen Firmen und
Unternehmen, die mit Patenschaftsabonnements
in die Zukunft investieren:
Prof. Dr. Wilfried Kuhn,
Villmar/Gießen
Physikalisch-Technische
Bundesanstalt,
Braunschweig und Berlin
Mepha Pharma AG,
Aesch (Schweiz)
SMS Siemag
Aktiengesellschaft
DSW Deutsche
Schülerwerbung GmbH,
Düsseldorf
Carl Zeiss AG,
Oberkochen
Robert Bosch GmbH,
Stuttgart
Wilhelm und Else
Heraeus-Stiftung,
Hanau
Universität Bonn,
Bonn
Bundesverband der
Dienstleister für Online-
Anbieter e.V.
Deutsche
Hochschulwerbung
A. Roussidis e. K.,
Düsseldorf
Stahl gehört
nicht zum alten Eisen
Geschichtlich gesehen ist die Eisenzeit längst
vorbei. In Europa endete sie im 1. Jahrhundert
vor Christus. Doch wirtschaftlich gesehen
steigt seitdem die Bedeutung der Eisenwerkstoffe
kontinuierlich an. Eine tragende
Rolle spielt dabei Stahl, eine Legierung aus
Eisen und maximal 2 Prozent Kohlenstoff
sowie weiterer Legierungselemente.
Um 1900 betrug die weltweite Stahlproduktion
etwa 50 Millionen Tonnen im Jahr. In
2008 wurden über 1300 Millionen Tonnen
Stahl produziert. Stahl ist damit der mengenmäßig
bedeutendste Werkstoff in der
Industrie.
Doch Stahl ist nicht gleich Stahl. In der europäischen
Stahlregistratur sind heute um
die 2000 genormte Stahlsorten enthalten,
dazu kommen noch weitere mehrere hundert
nicht genormte Sorten. Stähle werden
für die unterschiedlichsten Anwendungen
mit genau angepasstem Eigenschaftsprofil
hergestellt: So gibt es Baustähle, Behälterstähle,
Maschinenbaustähle, Werkzeugstähle,
nichtrostende Stähle, warmfeste und
hitzebeständige Stähle, Schienenbaustähle,
Stähle für Elektroblech und vieles mehr.
Wie raffiniert dabei teilweise auch auf die
Anforderungen in der Fertigung eingegangen
wird, zeigen die „Bake hardening“
Stähle: Die Automobilindustrie bekommt
von der Stahlindustrie ihr Rohmaterial in
Form von Blechen geliefert. Diese werden
zugeschnitten und dann im Presswerk zu
Karosserieteilen umgeformt. Hierbei sollte
das Blech noch keine zu hohe Festigkeit haben,
um den Umformprozeß nicht unnötig
zu erschweren. Nach dem Verschweißen der
Einzelteile zur Karosserie wird diese lackiert.
Beim Einbrennen der Fahrzeuglegierung bei
etwa 180 °C verändert der Stahl dann noch
mal seine Eigenschaften und erreicht seine
geforderte Festigkeit.
Editorial
Seit über 100 Jahren wird systematisch an
immer neuen Stahllegierungen geforscht
und entwickelt: Allein 500 der heute in
Europa genormten Stahlsorten sind erst seit
maximal fünf Jahren auf dem Markt. Dass
Stahlentwicklung ein spannender Beruf ist,
zeigt das Portrait von Matthias Frommert
auf S. 56. Er entwickelt Stähle für Rohre,
aus denen Pipelines, Kräne oder Brücken
entstehen. Er gehört damit zu den 5 Millionen
Beschäftigen in Deutschland, die sich
mit der Erforschung und Herstellung von
allen Arten an Werkstoffen befassen und
damit einen Umsatz von etwa einer Billion
Euro erzielen.
Dass die Werkstoffbranche in Deutschland
eine solche wirtschaftliche Bedeutung hat,
wird in der Öffentlichkeit vielfach nicht
wahrgenommen. Zu dieser Erkenntnis
kommt das Positionspapier der Akademie
der Technikwissenschaften, das sich im
November 2008 mit der Materialwissenschaft
und der Werkstofftechnik beschäftigt
hat. Eine direkte Konsequenz aus der nicht
wahrgenommenen Bedeutung ist, dass die
entsprechenden Studiengänge zu wenig
nachgefragt werden. Zusätzlich ist die Werkstoffkunde
ein Thema, das in der Schule
kaum bis gar nicht vorkommt und so viel zu
wenig in den Blick von Abiturienten bei der
Studienwahl gerät. Die Redaktion der Jungen
Wissenschaft möchte mit diesem Heft
dazu beitragen, dies zu ändern.
Dr. Sabine Walter,
Mitherausgeberin und Chefredakteurin
der Jungen Wissenschaft
3
Young Researcher
Impressum
Gründungsherausgeber:
Prof. Dr. rer. nat. Paul Dobrinski †
Herausgeber:
Prof. Dr. Manfred Euler,
Dr. Dr. Jens Simon,
Dr.-Ing. Sabine Walter
Verlag:
Verlag Junge Wissenschaft
Athanasios Roussidis
Neuer Zollhof 3, 40221 Düsseldorf
Chefredaktion:
Dr.-Ing. Sabine Walter
s.walter@verlag-jungewissenschaft.de
Redaktion:
Thorsten Kretschmer,
Areti Karathanasi
Erscheinungsweise:
vierteljährlich
Preis:
30,00 zzgl. Versand für 4 Ausgaben;
Schüler, Studenten, Referendare, Lehrer
zahlen nur 20,00 zzgl. Versand; Einzelpreis:
9,50
Marketing/Kooperationen:
Thorsten Kretschmer
Telefon (02 11) 38 54 89 12
t.kretschmer@verlag-jungewissenschaft.de
Anzeigen:
André Mayer
Telefon (02 11) 38 54 89 13
Fax (02 11) 38 54 89-29
a.mayer@verlag-jungewissenschaft.de
Grafik & Layout:
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Neuer Zollhof 3, 40221 Düsseldorf
Antje Bunzel, Stephan Sprick
Bilder:
aboutpixel.de, photocase.de, sxc.hu,
pixelio.de
Druck:
Kandinsky Production House GmbH
www.kandinsky-ph.de
Hamburg und Düsseldorf
Geschäftsbedingungen:
Es gelten die Allgemeinen
Geschäftsbedingungen des Verlags
Junge Wissenschaft, Athanasios Roussidis
ISSN 0179-8529

Inhalt
4
Junge Wissenschaft 83 // 2009
Weltrekord im Brückenbau –
Das Viadukt von Millau
60
6
Ganz großes Kino auf
der Edelstahlhülle
Dass Stahl einer der vielseitigsten Werkstoffe ist, beweist das Viadukt
von Millau eindrucksvoll: Denn mit einer Länge von 2460 m ist es nicht
nur die längste Schrägseilbrücke der Welt, sondern mit einer Bauhöhe
von 343 m auch höher als der Eiffelturm. Die Bauzeit von 38 Monaten
und die Kosten (ca. 400 Mio. €) sind ebenfalls rekordverdächtig.
Das Leverkusener Bayer-Hochhaus wird
zur größten Medienfassade der Welt
umgebaut und mit 5,6 Millionen LED-
Leuchten bestückt – eingeflochten in ein
witterungsbeständiges Edelstahlgewebe.
Editorial 3
Inhalt 4 – 5
Neues 6 – 10
Ganz großes Kino auf der
Edelstahlhülle 6
Haarnadel im Beton 7
Pflaster für den Werkstoff 7
Mit der Nanotomographie das
Innere erforschen 8
Humane Stammzellen wachsen
auf Textilimplantaten 8
Krautkrämer-Wagner verabschiedet
sich von Jugend forscht 10
Magazin I 11 – 17
„Wir suchen die Forscher
von morgen!“ 11
Sprungbrett für eine
erfolgreiche Karriere 13
Interview mit
Melanie Bonnekessel 15
MINT 16
Wie aus Jungforschern
junge Wissenschaftler werden 17
Magazin II 56 – 74
„Das lernen Sie alles
an der Uni!“ 56
Interview mit
Matthias Niemeyer 58
Weltrekord im Brückenbau-
Viadukt von Millau 60
Studium & Beruf:
Werkstoffwissenschaften und
Materialwissenschaft 62
Von der Vorlesung in die
Konstruktion 68
Hightech-Materialien für
die Zukunft – Hochschulportrait
TU Bergakademie Freiberg 70
Buchrezensionen 73
Jugend forscht 18 – 55
Gebäude im Tsunamistrudel
Modellversuche zu Tsunamitauglichen
Hausformen 18
Mindestens 17 müssen es sein
Untersuchungen zur eindeutigen
Lösbarkeit von Sudokus 24
Organe aus dem Spinnennetz
Spinnenseide als Zellgerüst für
in-vitro Organe 32
Widerstand zwecklos
Die makroskopische Wellenfunktion
als Grundlage der Theorie von
Supraleitung und Suprafluidität 38
Wenn sich das Gehirn
selbst betrachtet
Bau eines kostengünstigen und
kompakten Elektroenzephalografen
mit visueller und auditiver
Feedbackfunktion 44

Gebäude im
Tsunamistrudel
In einem selbstgebauten Wellenbecken
wurden Modell-Tsunamis ausgelöst und
untersucht, welche Auswirkungen die
anrollende Welle auf verschiedene Häuser
am Ufer hat.
Autor: Frederic Folz
18
Inhalt
Junge Wissenschaft –
Jugend forscht in Natur
und Technik
5
Mindestens 17 müssen
es sein
24
Junge Wissenschaft veröffentlicht Originalbeiträge
junger Autoren bis zum Alter von
23 Jahren mit anspruchsvollen Themen aus
allen Bereichen der Naturwissenschaften
und Technik.
Nun ist es mathematisch exakt bewiesen:
Ein Sudoku muss zu Anfang mindestens
17 Zahlen enthalten, damit es eindeutig
lösbar ist.
Autorin: Ariane Papke
Gründungsherausgeber:
Prof. Dr. rer. nat. Paul Dobrinski †
Herausgeber:
Prof. Dr. Manfred Euler
Dr. Dr. Jens Simon
Dr.-Ing. Sabine Walter
Organe aus dem
Spinnennetz
32
Beirat:
Dr. J. Georg Bednorz
Nobelpreisträger
IBM Research Division
Forschungslaboratorium Zürich
Um aus Zellen außerhalb des Körpers
Organe wachsen zu lassen, werden Zellgerüste
benötigt. Untersuchungen zeigen,
dass sich hierfür die Spinnenseide der
Radnetzspinne eignet.
Prof. Dr. rer. nat. Dr. h. c.
Manfred Eigen
Nobelpreisträger,
Max-Planck-Institut für
Biophysikalische Chemie,
Göttingen
Autoren: Janina Otto, Gesine Scharf
Prof. Dr. Gerhard Ertl
Nobelpreisträger
Fritz-Haber-Institut der
Max-Planck-Gesellschaft, Berlin
Widerstand zwecklos
Die Theorie der Supraleiter ist auch heute
noch eine Herausforderung. Einen ungewöhnlichen
Zugang über die Quantenmechanik
zeigt diese Arbeit.
Autor: Philip Schmidt
38
Prof. Dr. Ernst O. Göbel
Präsident der Physikalisch-
Technischen Bundesanstalt,
Braunschweig und Berlin
Dr. Uwe Groth
Dr. Groth und Partner
Unternehmensberatung
VDI Projektleitung
„Jugend entdeckt Technik“
Wenn sich das Gehirn
selbst betrachtet
Das Hirnstrommessgerät (Elektroenzephalograf)
gibt Auskunft über die
Hirnaktivitäten des Probanden. Im Einsatz
kann dann über die Feedbackfunktion
ein echter Entspannungszustand erreicht
werden.
Autor: Alexander von Lühmann
44
Prof. Dr. Elke Hartmann
Universität Halle
VDI Bereichsvorstand
„Technik und Bildung“
Dr. Jörg F. Maas
Geschäftsführer der Stiftung
„Jugend forscht“ e. V.,
Hamburg
Prof. Dr. Bernd Ralle
Schriftführer der Zeitschrift MNU,
Fachbereich Chemie,
Universität Dortmund
Wolfgang Scheunemann
Geschäftsführer der dokeo GmbH,
Stuttgart

Neues
6
Junge Wissenschaft 84 // 2009
Stahlanwendung
Ganz großes Kino auf der Edelstahlhülle
Das Leverkusener Bayer-Hochhaus wird zur größten Medienfassade der Welt umgebaut und mit
5,6 Millionen LED-Leuchten bestückt - eingeflochten in ein witterungsbeständiges Edelstahlgewebe.
Jeder, der schon einmal auf der Autobahn
von Düsseldorf nach Köln unterwegs
war, kennt das Bayer-Kreuz. Im
Herbst dieses Jahres erhält es nun ein
dynamisches Pendant: Die Bayer AG
verwandelt das nicht mehr genutzte
Hochhaus der Konzernzentrale in die
größte Medienfassade der Welt. Von
einem Zentralrechner gesteuert, lassen
sich künftig sogar Filme auf der Hochhauswand
abspielen.
Das 122 Meter hohe Gebäude wurde
1963 im Stil der Zeit als Hochhausscheibe
errichtet. Zunächst sollte es abgerissen
werden. Dann aber entschloss
sich das Unternehmen, die voll intakte
Stahlskelettkonstruktion auf ungewöhnliche
Weise weiter zu nutzen: Das bis auf
sein Tragwerk entkernte Gebäude wird
rundum mit einem filigranen Edelstahl-
Gewebe bespannt, in das 5,6 Millionen
LED-Leuchten eingelassen sind. Das
wetterfeste Material bedeckt eine Fläche
von 17.500 Quadratmetern. „Auf ihr
wird man beispielsweise ein Bayer-
Kreuz sehen, das um das Gebäude
herum zu fliegen scheint“, beschreibt
Roland Ellmann die visuelle Wirkung.
Das Geheimnis dieser technischen
Meisterleistung ist ein kunstvoll verarbeitetes
Edelstahl-Gewebe. Vier Fünftel
des Gebäudes werden mit einem
Metallgewebe bespannt, das von LED
Dioden beleuchtet wird. Dadurch
wird eine großflächige indirekte und
tiefgründige Leuchtwirkung erzeugt.
In diese Gesamtfläche wurden im
Zentrum der beiden Hauptfassaden
zwei lichtstarke Bildfelder eingebettet,
jeweils 40 mal 40 Meter groß.
In diesen Feldern sind die Dioden
wasserdicht versiegelt und sitzen in
nach vorne geöffneten Profilen. Sie
sind somit direkt zu sehen. Dies wird
so hell sein, dass das neue Bayer-Kreuz
auch tagsüber noch in fünf Kilometer
Entfernung gut zu erkennen sein wird.
Nach der vollständigen Freilegung seines konstruktiven
Kerns wird das Bayer-Hochhaus rundum mit
Edelstahlgewebe bespannt.
(Quelle: Stahl-Informations-Zentrum / Bayer AG)
Das Edelstahlgewebe Mediamesh: Als Träger der Dioden dienen U-förmige Profile, die in das Gewebe eingefügt sind.
(Quelle: Stahl-Informations-Zentrum / GKD Gebr. Kufferath AG / ag4 media facade GmbH)

Neues
Die besondere Nachricht:
Haarnadeln im Beton
7
7
Die spinnen, die Römer, beliebt der dicke Gallier,
der gar nicht dick ist, mitunter zu sagen. rumliegen und deren Einbau genauestens von
sperrigen Gitter, die immer auf Baustellen he-
Ob das nun stimmt oder nicht: Die Römer waren
in jedem Fall echte Experten im Betonbau:
Ingenieuren kontrolliert werden muss.
Das Pantheon, Aquädukte und Abwasserkanäle
haben sie aus dem grauen Material gefernadelgroße
Stahlfasern, die dem Beton zuge-
Statt sperriger Gitter tun es aber auch haartigt.
Das Rezept dafür hätte auch Miraculix mischt werden. Das hat die Braunschweiger
im Nu zusammengemischt: Man nehme zwei Forscherin Anja Riese der Technischen Universität
vor einigen Jahren herausgefunden
Teile Kalk und Ton, einen Teil Steinbrocken
oder Kies und rühre es gründlich durch. Etwas und aus diesem „Stahlfaserbeton“ ganze
Wasser, trocknen lassen und fertig.
Wohnhausdecken gefertigt. Weil die belastbar
waren wie Hinkelsteine und einfach aufzubringen,
haben sie sich in der Praxis längst
Um Beton noch stabiler zu machen, wird er seit
über 100 Jahren mit Moniereisen, also Bewehrungsstahl,
verstärkt. Das sind diese
bewährt.
rostigen
Haarnadeln im Beton Obelix würde sagen:
Die spinnen, die Ingenieure. Also höchste Zeit
für einen klärenden Band „Asterix und der
Stahlfaserbetonmix“.
Andrea Hoferichter
(Dieser Text ist entnommen aus „Das Murmeltierbuch
– und täglich grüßt die Wissenschaft“
mit freundlicher Genehmigung
des Joh. Heinr. Meyer Verlags in Braunschweig)
Junge Wissenschaft Young Researcher
84 // 2009
Werkstoff-Forschung
Pflaster für den Werkstoff
Der Traum der Ingenieure von selbstheilenden Oberflächen rückt ein Stück näher: Forscher haben eine
galvanische Schicht hergestellt, in der nanometerkleine Kapseln stecken. Wird die Schicht verletzt,
geben die Kapseln Flüssigkeit frei und reparieren den Kratzer.
Die menschliche Haut ist ein Phänomen:
Kleine Kratzer und Schnitte heilen schnell
ab, schon nach wenigen Tagen ist nichts
mehr von der Schramme zu erkennen.
Anders bei Werkstoffen, etwa Metallen:
Hat die galvanische Schicht, die Metalle
vor Korrosion schützt, einen Kratzer, ist
der Rostschutz dahin. Ingenieure arbeiten
daran, den Selbstheilungseffekt der Haut
auf Werkstoffe zu übertragen: In die galvanische
Schicht werden flüssigkeitsgefüllte
Kügelchen mit eingebracht und gleichmäßig
verteilt wie Rosinen in einem Kuchen.
Wird die Oberfläche beschädigt, platzen
die an dieser Stelle liegenden Kügelchen
auf, die Flüssigkeit läuft heraus und „repariert“
den Kratzer. Bisher scheiterten solche
Vorhaben an der Größe der Kügelchen:
Sie waren mit 10 bis 15 Mikrometern zu
groß für die etwa 20 Mikrometer dicken
galvanischen Schichten - die Kapseln veränderten
die mechanischen Eigenschaften
der Schicht.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik
und Automatisierung
IPA in Stuttgart haben mit ihren Kollegen
der Universität Duisburg-Essen nun ein
Verfahren entwickelt, galvanische Schichten
mit Nano-Kapseln herzustellen.
Der Durchmesser der Kapseln beträgt nur
einige hundert Nanometer, also fast eine
Größenordnung kleiner als bisher. „Die
Herausforderung liegt darin, die Kapseln
beim Herstellen der galvanischen
Schicht nicht zu beschädigen“,
sagt Dr. Martin Metzner, Abteilungsleiter
beim IPA. „Denn je
kleiner die Kapseln, desto dünner
und empfindlicher wird auch ihre
Hülle.
Die Elektrolyte, die man für diese
galvanotechnischen Prozesse
verwendet, sind chemisch recht
aggressiv und können die Kapseln
leicht zerstören.“ Die Forscher
mussten daher das Material der
Kapselhülle und die verwendeten
Elektrolyte aufeinander abstimmen.
Bis ganze Bauteile beschichtet
werden können, dauert es nach
Einschätzung des Experten noch eineinhalb
bis zwei Jahre. Komplexere Systeme
sollen folgen - etwa verschieden gefüllte
Kapseln, deren Flüssigkeiten miteinander
reagieren wie ein Zwei-Komponenten-
Kleber.
Die Nanokapseln in der galvanischen Schicht enthalten
eine Flüssigkeit. Wird die Schicht zerkratzt, platzen die
Kapseln auf, die Flüssigkeit tritt aus und repariert den
Kratzer. (Quelle: Fraunhofer IPA)

Neues
Neues
8
Junge Wissenschaft 84 // 2009
Werkstoff-Forschung
Mit der Nanotomographie das Innere erforschen
Um Werkstoffe zu verbessern, müssen Aufbau und Zusammensetzung möglichst genau bekannt
sein. Mit der neu entwickelten Nanotomographie können Strukturen dreidimensional bis auf atomare
Ebene hinab sichtbar gemacht werden.
Bei der Nanotomographie wird die Probe
schichtweise durch einen sehr präzisen
Ionenstrahl abgetragen und die freigelegte
Oberfläche mittels eines Rasterelektronenmikroskops
abgebildet. Die so erfassten
Professor Frank Mücklich macht das Innere von
Materialien sichtbar (Quelle: bellhäuser - das bilderwerk)
Bildserien werden anschließend im Computer
wieder zum exakten räumlichen Abbild
zusammengefügt. Durch die extrem
hohe Auflösung der Nanotomographie
und der unterschiedlichen Kontrastverfahren
können die Materialforscher damit
nicht nur chemisch analysieren, welche
Atome enthalten sind, sondern sie können
auch veranschaulichen, welche Gitterstruktur
die Kristalle des Materials haben
und welche Nanostrukturen daraus geformt
wurden.
Bisher wussten die Entwickler bei vielen
Materialien oft nicht genau, welche Substanz
eine gewünschte Eigenschaft ausgelöst
hat. Zum Beispiel im Motorenbau: In
hochwertigen Autos werden heute Motorblöcke
aus Aluminium eingebaut, um die
Fahrzeuge leichter zu machen. Aluminium
ist jedoch ein sehr weiches Material,
das erst durch die Zugabe von Silizium
fester wird. Das Silizium breitet sich im
Aluminium in Form eines extrem feinen
„Silizium-Dickichtes“ aus. Ob dieses feinmaschige
Netzwerk gleichmäßig wird und
damit auch das Aluminium eine gleichförmige
Struktur erhält, hängt von ganz wenigen
Atomen eines weiteren Stoffes dem
Strontium, ab.
Welche Rolle dieser Zusatzstoff genau
spielt, haben jetzt Frank Mücklich und
sein Team von der Universität des Saarlandes
mit Hilfe der Nano-Tomographie
und einer speziellen Sonde entschlüsselt.
„Allein die Zugabe von einigen Millionstel
Anteilen Strontium verändert das dreidimensionale
Siliziumnetzwerk völlig und
macht am Ende den Motorblock wesentlich
fester“, erläutert der Saarbrücker Materialforscher.
Medizin
Humane Stammzellen wachsen auf Textilimplantat
Zerstörtes Gewebe durch körpereigene Zellen zu ersetzen, diese Vision verfolgen Forscher des Institutes
für Biotechnologie an der Universität Hohenheim.
Stammzellen gelten als große Hoffnungsträger
in der Medizin, da sie die Fähigkeit
besitzen, sich in die verschiedensten Zelltypen
umzuwandeln. Diese Eigenschaft
macht sie besonders interessant zur Wiederherstellung
von irreversibel geschädigtem
Gewebe. Forschern des Instituts
für Hygiene und Biotechnologie (IHB)
an den Hohenstein Instituten ist nun eine
optimierte Textilbeschichtung gelungen,
mit deren Hilfe sich adulte menschliche
Stammzellen auf der Faseroberfläche von
Textilimplantaten ansiedeln. Hierzu wurde
eine Molekularschicht aus natürlichen
Biomaterialien der menschlichen Extrazellularmatrix
entwickelt. Die Besiedlung mit
körpereigenen Stammzellen des Patienten
erlaubt die Platzierung der kleinen Alleskönner
direkt am geschädigten Gewebe.
Durch Zugabe bestimmter Faktoren können
so zum Beispiel neue Herzmuskelzellen
entstehen, die dann die durch einen
Infarkt zerstörten Bereiche des Herzens
ersetzen.
„Das ist ein erster Erfolg in Richtung
textiler Stammzelltherapie. Wir müssen
Die Zellkerne, der angesiedelten Stammzellen
scheinen im Fluoreszenzmikroskop blau, das
Zellgerüst aus Textilfasern rot.
jedoch noch die Besiedlung der Fasern
mit den Stammzellen - also die Interaktion
- besser verstehen,“ stellt der Leiter
des IHB, Prof. Dr. Dirk Höfer fest. Die
von den Wissenschaftlern verwendeten
mesenchymalen Stammzellen sind multipotent,
d.h. sie können sich zum Beispiel
in Herzmuskel-, Knochen-, oder Knorpelzellen
umwandeln. Die Ansiedlung von
Stammzellen auf einem Textil eröffnet für
die Regenerationsmedizin weit reichende
therapeutische Möglichkeiten. Textilimplantate
werden bei Operationen häufig
eingesetzt, um verletztes Gewebe zu stabilisieren.
So gibt es z. B. Herz-Patches aus
Biomaterialien, die bei Herz-Operationen
auf das geschädigte Herz aufgebracht werden.
Diese Materialien werden dann nach
einer gewissen Zeit vom Körper des Patienten
abgebaut.

Neues
9
Young Researcher

Jugend forscht
32
Junge Wissenschaft 84 // 2009
Janina Otto* 1990
Gesine Scharf* 1989
Garbsen
Schule:
Geschwister-Scholl-Gymnasium
Garbsen
Eingang der Arbeit:
September 2008
Zur Veröffentlichung angenommen:
November 2008
Organe aus dem Spinnenetz
Spinnenseide als Zellgerüst für in-vitro Organe
Ein großes Problem der heutigen Transplantationsmedizin stellt die begrenzte Verfügbarkeit an geeigneten
Spenderorganen dar, weshalb zurzeit viele Wissenschaftler an einer in vitro Erzeugung von
Organen arbeiten. Dazu müssen Zellen auf einer Trägerstruktur gezielt anwachsen, um einen Funktionskomplex
in der gewünschten Form zu bilden. In unseren Experimenten haben wir untersucht, ob
sich die Spinnenseide der Nephila Clavipes als Trägerstruktur eignet.
Glossar
Adhärente Zellen
Zellen, die am Boden siedeln und deshalb mit
Medium bedeckt sein müssen.
Monolayer
Zellen, die nur einlagig – also nicht übereinander,
wie z. B. Tumorzellen – wachsen.
Maximale Konfluenz erreicht haben
den Platz, der zur Besiedelung zur Verfügung
steht, vollständig besiedelt haben
PBS
phosphathaltige Salzlösung mit physiologischen
Salzkonzentrationen und pH
Arachnophobie
Angst vor Spinnen
Kontaminierung
Verunreinigung einer Zellkultur durch z. B.
Mikroorganismen
Hämostase
Blutgerinnung
1 Einleitung
Schon seit über 50 Jahren gibt es Methoden,
Zellen aus tierischen oder menschlichen
Gewebe- und Organteilen zu
isolieren und unter Kulturbedingungen
am Leben zu erhalten. Dazu werden
die Zellen meist mit nährstoffhaltigem
Medium in einer Kulturschale gefüttert,
um eine möglichst schnelle Zellvermehrung
zu erhalten. Auf diese Weise
lassen sich Zellen in beliebiger Menge
gewinnen. Im Verlauf der Zellkultivierung
stellt man jedoch häufig fest, dass
sich die Zellen in der Kulturschale zwar
vermehrt haben, viele spezifische Eigenschaften
jedoch durch die Isolation
von ihrem ursprünglichen, dreidimensionalen
Gewebe verloren haben. Um
dieser Veränderung entgegenzuwirken,
gibt man heute spezielle Wachstumsfaktoren,
Hormone und Ionen in das
Nährmedium. Die Zusammensetzung
dieser Zusätze entspricht der natürlichen
Zellumgebung im Körper jedoch immer
nur annäherungsweise. Außerdem lassen
sich die Zellen nicht gezielt ansiedeln,
sondern wachsen unkontrolliert in der
Kulturschale. Es scheint also unmöglich,
die Zellen in eine definierte Form zu
bringen, geschweige denn ein komplexes
Organ aufzubauen. Daher lassen sich mit
der bisher angewandten Technik in den
konventionellen Kulturgefäßen keine
funktionellen Gewebe herstellen.
Ein großes Problem in der Transplantationsmedizin
ist der Mangel an Spenderorganen.
So sterben viele Patienten,
da kein passendes Spenderorgan zur

Jugend forscht
Verfügung steht. Um dieses Problem zu
beheben, forschen viele Wissenschaftler
mit Hochdruck an der Herstellung von
künstlichem Gewebe.
Ein viel versprechendes Forschungsgebiet
in der Medizintechnik stellt das
so genannte „Tissue Engineering“ dar,
was etwa mit „Gewebe-Konstruktion“
zu übersetzen ist. Die Idee ist, Gewebe
oder sogar ganze Organe in einem Labor
zu züchten, um diese anschließend
dem Patienten implantieren zu können.
Durch die Verwendung von patienteneigenen
Zellen ließe sich dabei nicht nur
die Problematik der Spenderlimitierung,
sondern auch die der immunologischen
Abstoßung durch den Empfänger verhindern,
die bislang bei einer Fremdverpflanzung
von Organen durch eine
massive Medikation eingedämmt werden
muss.
Um die Vision von in vitro hergestellten
Organen verwirklichen zu können,
benötigt man also zunächst ein dreidimensionales
Zellgerüst, auf dem sich die
Zellen ansiedeln und vermehren können
und welches im Körper verträglich ist
und keine Immunreaktionen hervorruft.
In der von uns durchgeführten Versuchsreihe
haben wir uns mit der Eignung
von Spinnenseide als Material für ein
Zellgerüst beschäftigt, da Spinnenseide
vom Körper nicht abgestoßen wird und
durchaus gut von Säugetierorganismen
aufgenommen wird, wie Versuche der
Medizinischen Hochschule Hannover
zeigten.
2 Künstliches Gewebe und Trägerstrukturen
2.1 Gewinnung von künstlichem Gewebe
Um Organe in vitro erzeugen zu können,
benötigt man Gewebe, da dieses die
Grundstruktur für jedes Organ darstellt.
Gewebe besteht aus Zellen, die sich zu
einem Funktionskomplex zusammenschließen.
Im Körper findet der Prozess
der Gewebsbildung auf natürliche Weise
ständig statt. Zur in-vitro-Kultivierung
von Gewebe müssen bestimmte Bedingungen
herrschen, damit die Zellen nicht
absterben.
Voraussetzung für eine in-vitro-Kultivierung
ist eine sterile Umgebung. Die Zellen
kontaminieren schon beim Kontakt
mit gewöhnlicher Raumluft und sterben,
da diese Mikroorganismen enthält. Man
sollte den Zellen deshalb in einem verschließbaren
Kulturgefäß einen Lebensraum
schaffen und sie nie mit kontaminierten
Gegenständen oder ungefilterter
Luft in Kontakt bringen. Andere Bedingungen
kann man in einem Brutschrank
zum Teil imitieren. Dieser begast die Zellen
kontinuierlich mit stark CO 2 – haltiger
Luft und sorgt für eine konstante
Temperatur von etwa 37°C. Das ist notwendig,
weil die Zellen des angestrebten
Gewebes aus Säugetierorganismen stammen
und daher Körpertemperatur benötigen.
Sie sind auf einen physiologischen
pH-Wert angewiesen, der durch die
CO 2 -Begasung eingestellt wird.
Doch auch hier treten Probleme bei
der Kultivierung auf, beispielsweise die
Versorgung der Zellen mit Nährstoffen
und das Bereitstellen von ausreichendem
Platz. Im Organismus werden die Zellen
über aktive Stoffkreisläufe mit Nährstoffen
versorgt. In den Kulturschalen
müssen die Nährstoffe manuell hinzugefügt
werden. Das Bereitstellen des Platzes
ist im Brutschrank allerdings problematisch,
da für sich unbegrenzt vermehrende
Zelllinien in keinem Gefäß dauerhaft
genügend Raum zur Verfügung gestellt
werden kann. Man unterscheidet zwischen
adhärenten Zellen und Zellen, die
in Suspension wachsen. In beiden Fällen
dürfen die Zellpopulationen nicht zu
dicht werden, dies ist
jedoch insbesondere
bei adhärenten Zellen
der Fall, da sie Monolayer
sind und so keinen
Platz für weitere Zellteilungen
haben, wenn
sie den Boden komplett
bedecken. Diese
Zellen müssen dann
auf neue Kulturgefäße
aufgeteilt werden.
Wenn die Zellen ihre
maximale Konfluenz
erreicht haben, fangen
sie an abzusterben. Aus
diesem Grund muss
man die Zellen alle 2-3
Tage umsetzen (passagieren).
Dazu löst man
die Zellen zuerst enzymatisch
vom Boden
ab und setzt einen Teil
von ihnen in eine neue
Kulturflasche. Die restlichen
Zellen werden verworfen. Wenn
man die Zellen regelmäßig umsetzt, hält
man sie zusätzlich in einer günstigen
Wachstumsphase.
Forscher sind also bereits in der Lage,
Gewebe künstlich zu erzeugen. Doch
ein Organ ist eine komplexe, räumliche
Struktur. Um das Gewebe in eine solch
vielschichtige Form zu bringen, benötigt
man eine Trägerstruktur, auf der die Zellen
wachsen.
2.2 Trägerstrukturen
Trägerstrukturen (auch Scaffolds genannt)
sollen von Zellen besiedelt werden.
Um ein Organ aufzubauen, sind
Trägerstrukturen unerlässlich, da die Zellen
sich auf einem vorhandenen Material
ansiedeln müssen und ohne Vorgabe nur
sehr begrenzt in der Lage sind, selbst
dreidimensionale Strukturen zu erstellen.
Die Trägerstrukturen dienen also als eine
Art Baugerüst und geben so die angestrebte
Form vor.
Die Zellen können, sobald das Organ
transplantierfähig ist, nicht gezielt von
der Trägerstruktur entfernt werden. Eine
enzymatische Ablösung durch Trypsin
beispielsweise würde das gesamte Organ
zerstören, da Trypsin alle Zellverbände
auflösen würde. Um dieses Problem zu
vermeiden, wäre es von großem Vorteil,
wenn das Organ mit der Trägerstruktur
transplantiert werden könnte. Das
bedeutet, dass zum Beispiel Glas eine
Abb. 1: Beim Elektrospinning wird eine Polymerlösung über eine Kapillardüse
zu einem Faden in Nanogröße verarbeitet. Dabei dient die Düse
als Elektrode, von der aus die Flüssigkeit durch elektrische Kraft zur Gegenelektrode
gezogen wird
33
Young Researcher

Jugend forscht
34
Junge Wissenschaft 84 // 2009
ungeeignete Struktur wäre, da es zwar
von den meisten Zelllinien bevorzugt
besiedelt wird, den Körper des Organempfängers
jedoch kontaminieren und
höchstwahrscheinlich zum Tod führen
würde.
In Hannover arbeiten Wissenschaftler an
der Herstellung von Trägerstrukturen mit
der Methode des Elektrospinnings. Dabei
wird zwischen zwei Elektroden eine
hohe Spannung angelegt. Eine Polymerlösung
kann durch eine Düse aus ihrem
Behältnis austreten. Die Düse stellt die
eine Elektrode dar, eine Platte unter der
Fasermatte die Gegenelektrode (Abb. 1).
Durch die hohe Spannung wird die Polymerlösung
nun in extrem dünnen Fäden
durch die Düse gepresst und lagert sich
auf der Fasermatte ab. Diese strukturierte
Fasermatte eignet sich besonders gut für
die Besiedlung mit Zellen. Mit Hilfe des
Elektrospinnings können auch räumliche
Fasermatten strukturiert werden, sodass
anschließend Zellen darauf wachsen. Allerdings
ist es nur schwer möglich, eine
strukturierte Matte aus Polymerfasern in
einen Organismus zu transplantieren, da
dieser den Fremdkörper eventuell als solchen
erkennen und abstoßen könnte.
In der Natur werden vor allem von
Spinnen vergleichbar dünne Fäden
produziert. Im Verlauf unserer Arbeit
haben wir uns mit den Eigenschaften
von Spinnenseide der Nephila clavipes
befasst.
3 Spinnenseide
3.1 Die Spinnenseide der Nephila clavipes
Wir haben für unseren Versuch die Seide
aus der großen Ampullendrüse der
Radnetzspinne Nephila clavipes benutzt.
Diese Spinnenart ist auf dem amerikanischen
Kontinent zu Hause. Die Anatomie
ihrer Spinndrüsen ist sehr komplex,
da sie sieben verschiedene besitzt, was
typisch für Radnetzspinnen ist. Mit jeder
Drüse kann sie einen Faden mit anderer
Beschaffenheit spinnen, deshalb hat auch
jeder Faden ein anderes Aufgabengebiet
(Abb. 2). Die nahezu ausschließlich aus
Proteinen bestehende Seide, die der großen
Ampullendrüse entstammt, gilt aufgrund
ihrer einzigartigen Eigenschaften
nicht nur in der Medizin sondern auch
in der Technik als Material der Zukunft.
Tests ergaben, dass sie mit einer Reißfestigkeit
von 4x10 4 N/mm 2 eine höhere
Reißfestigkeit besitzt als Stahl. Dabei ist
sie trotzdem noch sehr elastisch. So kann
sie beispielsweise mit der vom Menschen
„erfundenen“ Faser Kevlar mithalten,
aus der kugelsichere Westen hergestellt
werden, denn Kevlar besitzt dieselbe
Reißfestigkeit, ist allerdings deutlich unelastischer
(vgl. [1]). Doch die Seide der
Nephila clavipes hat auch besonders interessante
medizinische Eigenschaften. Das
Immunsystem identifiziert die Seide im
Körper nicht als „Feind“. Darüber hinaus
besteht Grund zur Annahme, dass sie
eine antibakterielle Wirkung besitzt. (vgl.
[2]) Des Weiteren kleben die benannten
Fäden nicht und sind vergleichsweise
problemlos zu gewinnen.
3.2 Spinnenseide als Trägerstruktur
Die Seide aus der großen Ampullendrüse
der Radnetzspinne Nephila clavipes erschien
uns gerade aufgrund der förderlichen
medizinischen Eigenschaften als
geeignete Trägerstruktur für ein Gewebe-
Gerüst. Die antiseptische Wirkung würde
die Heilung bei einer Transplantation
sogar begünstigen. Des Weiteren lassen
sich die Fäden dank ihrer physikalischen
Eigenschaften sehr einfach verarbeiten
beziehungsweise mit Hilfe eines Gerüsts
in der gewünschten Form fixieren.
Sie lassen sich für den Kontakt mit
den Zellen oder später auch mit einem
Abb. 2: Drüse, Seide und ihr Gebrauch bei Radnetzspinnen (Quelle: A. Sponner [1])

Jugend forscht
Organismus sogar in einem Autoklaven
sterilisieren. Dieser arbeitet unter Überdruck
mit Wasserdampf, ohne dass die
Spinnenseideproteine denaturieren, da
diese extrem hohen Temperaturen
standhalten.
Ausschlaggebend für die
Wahl der Spinnenseide
der Nephila clavipes war
für uns, dass das Labor
für Experimentelle Plastische
Chirurgie und
Regenerationsbiologie
der Medizinischen Hochschule
Hannover im Besitz
vieler Exemplare der
Nephila clavipes ist und
uns so die Benutzung der
Seide ermöglichen konnte.
In dem Labor konnten
wir nun untersuchen, ob
die Zellen die Spinnenseide
besiedeln, und ob
man sie so dazu bringen
kann nach definierten
Vorgaben zu wachsen.
4 Eigene Versuchsreihe
4.1 Versuchsdurchführung
Um zu überprüfen, ob sich Zellen mit
Hilfe von Spinnenseide gezielt ansiedeln
lassen, konstruieren wir ein Zell-Gerüst
aus Spinnenseide. Dieses Gerüst wird
mit Hilfe von in einer Siliconmatte steckenden
Nadeln (Abb. 3) fixiert, die in
Form des Wortes „ZELLE“ angeordnet
sind.
Die Spinnenseide ziehen wir mit Hilfe
einer Spindel aus der großen Ampullendrüse
der Spinne, um sie anschließend
um die Nadeln zu wickeln. In diesem
Vorgang wird die Spinne mit Nadeln
auf einem Schaumstoffblock unter einer
Mullbinde fixiert. Nun kann man unter
Zuhilfenahme einer Pinzette das Fadenende
aus der Drüse ziehen und auf die
Spindel wickeln, wodurch wir anschließend
einen langen Spinnenfaden erhalten.
Wenn wir diesen von der Spindel abnehmen,
ziehen wir die mehrlagige Seide
lang, sodass wir einen Strang erhalten,
den wir dann verzwirbeln. Nun haben
wir einen etwa zwanziglagigen Spinnenseidefaden,
welchen wir um die Nadeln
wickeln können. An Anfang und Ende
eines Buchstabens wird die Seide an die
Nadel geknotet.
Nachdem wir das Gerüst fertig gestellt
haben, müssen die Zellen bzw. ein
Abb. 3: Das definierte Gerüst besteht aus Nadeln, die auf einer Silikonmatte so angeordnet
sind, dass man das Wort „ZELLE“ aus Spinnenseide schreiben kann, indem
man sie um die Nadeln wickelt.
bestimmter Bestandteil in den Zellen
mit einem Fluoreszenzfarbstoff angefärbt
werden, damit sie später unter einem
Fluoreszenzscanner sichtbar gemacht
werden können. Die Farbe, in der die
Proteine fluoreszieren, ist abhängig von
dem frei wählbaren Fluoreszenzfarbstoff,
welcher mit dem passenden Antikörper
gekoppelt ist. Im Idealfall würde deshalb
das von uns konstruierte Wort „ZELLE“
in der Farbe des Fluoreszenzfarbstoffs
leuchten, während der Untergrund dunkel
bleiben würde. Damit wäre bewiesen,
dass die Zellen ausschließlich auf der
Spinnenseide gewachsen sind und man
somit den Zellen mit Hilfe von Spinnenseide
vorgeben kann, an welcher Stelle sie
sich ansiedeln sollen. Um sicherzustellen,
dass ausschließlich die Zellen fluoreszieren
und nicht etwa die Spinnenseide,
welche auch zum Großteil aus Proteinen
besteht, färben wir die Zellen bevor
wir sie mit der Spinnenseide in Kontakt
bringen. Dabei ist in Vorversuchen gezeigt
worden, dass Spinnenseide im
sichtbaren Fluoreszenzbereich eine starke
Eigenfluoreszenz aufweist. Daher werden
die gesamten Versuche mit Fluoreszenzfarbstoffen
aus dem Infrarotbereich
durchgeführt. In diesem Fluoreszenzbereich
zeigt die Spinnenseide keine Eigenfluoreszenz.
So kann das von den Zellen
ausgehende Signal ohne
Verfälschung detektiert
werden.
Die Zellen liegen uns in
einer Kulturschale mit
Nährmedium vor. Da die
benutzte Zelllinie (3T3
Flip-in, Mäusefibroblasten)
eine adhärente
Zelllinie ist, müssen wir
zunächst die Zellen vom
Boden lösen. Dies kann
man wie in unserem Fall
mit dem Enzym Trypsin
tun. Das Trypsin hat eine
Inkubationszeit von etwa
5-10 Minuten, in denen
die Zellen in einem Brutschrank
lagern. Nachdem
die Zellen vollständig
vom Boden der Kulturschale
abgelöst sind, werden
sie mit einem speziellen
Nährmedium
versetzt, welches die
enzymatische Wirkung
des Trypsins blockiert.
Nun werden die Zellen zentrifugiert,
um sie von Nährmedium und Trypsin zu
trennen, sodass das Medium abgesaugt
werden kann und die Zellen als Pellet
zurückbleiben. Das Pellet wird mit PBS
resuspendiert. Die Zellen werden mit
dem im Infrarotbereich emittierenden
Vitalfarbstoff Syto61 gefärbt. Dieser
Farbstoff ist in der Lage Zellmembranen
passiv zu durchqueren und bindet in den
Zellen an Nukleinsäuren. Die Zellen
bleiben durch diese Behandlung weitestgehend
unbeeinträchtigt und können
adhärieren sowie sich vermehren. Dieser
Arbeitsschritt muss in lichtarmer Umgebung
stattfinden, da es sonst zu einem
vorzeitigen Ausbleichen der Fluoreszenz
kommt, was das zu messende Signal
schwächen würde.
Nachdem die Zellen angefärbt worden
sind, werden sie erneut mit Nährmedium
versetzt. Jetzt können sie auf das
zuvor konstruierte Zellgerüst gegeben
werden, sodass das gesamte Gerüst
mit Medium und somit auch Zellen
umgeben ist. Nun benötigen die Zellen
einige Tage in einem Brutschrank, um
35
Young Researcher

Jugend forscht
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Junge Wissenschaft 84 // 2009
Abb. 4: Da man das Wort „Zelle“ deutlich lesen kann, ist davon auszugehen, dass die Zellen auf der Spinnenseide
adhärieren
Abb. 5: Da auch beim zweiten Versuch das Wort Zelle zu lesen ist, können wir nun mit Sicherheit sagen, dass die
Zellen auf der Seide festgewachsen sind.
sich auf der Spinnenseide ansiedeln zu
können. Nach einer Woche entnehmen
wir unser Präparat dem Brutschrank, um
es unter einem speziellen Fluoreszenzscanner
zu betrachten. Der Scanner bestrahlt
das Präparat mit Licht einer für den Fluoreszenzfarbstoff
spezifischen Wellenlänge,
um ihn zum Fluoreszieren anzuregen.
Das entstehende Bild kann am Computer
ausgewertet werden. Es handelt sich nicht
um eine reale Fluoreszenz im roten Bereich,
sondern die Zellen fluoreszieren im
für das Auge nicht wahrnehmbaren Infrarotbereich.
Der Computer misst die ausgestrahlten
Fluoreszenzstärken und belegt
sie mit Farbe (Falschfarbe), in unserem Fall
rot sichtbar (Abb. 4).
Um die Zweifel, der verwendete Fluoreszenzfarbstoff
könnte doch an Proteine der
Spinnenseide gebunden haben, auszuschließen,
und einen eindeutigen Beweis
zu haben, dass die Zellen an der Spinnenseide
entlang gewachsen sind, färben wir
zusätzlich Collagen I. Die Färbung von
Collagen I ist eine auf Antikörpererkennung
beruhende Immunfluoreszenz. Allerdings
können wir die Zellen anfärben,
während sie auf der Spinnenseide haften,
da Collagen in der Spinnenseide nicht
enthalten ist und somit ausschließlich die
Zellen fluoreszieren können. Für diesen
Vorgang saugen wir das Nährmedium
erneut ab und tragen die Lösung, welche
den verdünnten Antikörper (1:100 in 1%
FKS/PBS) enthält, auf. Das PBS hat einen
einprozentigen Zusatz von FKS (Fetales
Kälber Serum), welches unspezifische Bindungen
des Immunfluoreszenzfarbstoffes
verhindern soll. Unspezifische Bindungen
sind Bindungen an ein verwandtes bzw.
im Aufbau ähnliches Protein. Nun kann
der Immunfluoreszenzfarbstoff („Anti-
Collagen-I“, grün) zu den Zellen gegeben
werden. Auch hier müssen die Zellen mit
dem Antikörper im Brutschrank inkubieren.
Nach Ende der Inkubationszeit fluoresziert
Collagen unter dem Fluoreszenzscanner.
Um das zweite Signal vom ersten
unterscheiden zu können, wurde eine noch
langwelligere Fluoreszenz gewählt, die der
Computer in unserem Versuch grün färbt
(Abb. 5).
4.3 Versuchsergebnis
Auf Abb. 4 und 5 ist das Wort „ZEL-
LE“ eindeutig erkennbar. Da wir ausgeschlossen
haben, dass die jeweiligen
Farbstoffe an die Spinnenseide gebunden
haben könnten, fluoreszieren ausschließlich
Proteine der Zellen in unserem Bild.
Somit haben wir nachgewiesen, dass
sich die von uns verwendete Zelllinie
3T3 Flip-in auf Spinnenseide ansiedelt.
4.4 Problematiken bei der
Versuchsdurchführung
Bei unserer Arbeit mit der
Spinnenseide traten einige
Probleme auf, die wir an dieser
Stelle erwähnen wollen.
Ein elementares Problem ist
sicherlich, dass viele Menschen
an einer Arachnophobie leiden.
In solchen Fällen gestaltet sich
die Arbeit mit den Spinnen sehr
schwierig.
Da die Nephila clavipes kannibalische
Lebewesen sind, erfordert
des Weiteren die artgerechte
Haltung der Spinnen viel
Platz. Im Labor wird dies durch
drei große Räumen gewährleistet,
in denen die Spinnen frei
leben und ihre Netze überall
spinnen können. Allerdings
führt dies zu einem weiteren
Problem: Die Spinnen müssen
eindeutig identifizierbar sein,
was rein optisch nicht möglich
ist. Eine strukturierte Organisation
ist daher unerlässlich.
Weil die Entnahme der Spinnenseide einen
großen Stressfaktor für die Spinnen
darstellt, benötigen die Spinnen eine Regenerationsphase
von einigen Tagen, andernfalls
kann die Belastung zum Tod der
Spinne führen. Theoretisch könnten einer
Spinne mehrere Kilometer Spinnenseide
pro Tag entnommen werden.
Ein weiteres Problem ist, dass die Herstellung
von identischer Seide nicht garantiert
werden kann, da die Zusammensetzung
der Seide aus biologischen Gründen wie
Futterzusammensetzung variieren kann.
Außerdem benötigt man einiges an Geschick
zur Arbeit mit Spinnenseide, da
diese äußerst fein ist und leicht verknotet.
Die Konstruktion unseres Gerüsts hat viele
Stunden Zeit in Anspruch genommen, da
die Seide oftmals von den Nadeln gerutscht
ist. Ferner sollte man bei der Wahl der verwendeten
Materialien darauf achten, dass
sie zur Sterilisation im Autoklaven geeignet
sein müssen. Viele Materialien können im
Autoklaven zerstört werden oder sogar die
Spinnenseide verändern.
Überdies erfordern die Zellen wie oben
bereits erwähnt, eine äußerst sterile Arbeitsumgebung.
Bei einer Kontaminierung
wären die Zellen nicht mehr zu einer
Zellteilung fähig gewesen und wir hätten
kein verwertbares Versuchsergebnis erhalten.

Trotz dieser Problematiken haben wir
letztendlich ein aussagekräftiges Versuchsergebnis
erhalten.
5 Ausblick
Zwar stellt der von uns durchgeführte
Versuch sicherlich nur einen sehr kleinen
Teil der Grundlagenforschung zum Themengebiet
der Spinnenseide dar, dennoch
wollen wir an dieser Stelle Überlegungen
dazu anstellen, was durch eine systematische
Erforschung der Spinnenseide und
eine Anwendung in der Medizin möglich
werden könnte.
Wie zu Anfang unseres Berichts angerissen,
wäre es theoretisch möglich, räumliche
Strukturen bzw. einfache Organe mit
Hilfe von Gerüsten aus Spinnenseide in
vitro zu bilden. Die Schwierigkeit bei der
künstlichen Herstellung von Organen besteht
jedoch darin, dass komplexe Organe
wie das menschliche Herz oder eine Leber
aus sehr vielen verschiedenen Zelltypen
bestehen, welche nur an ganz bestimmten
Stellen im Organ wachsen sollen, um eine
bestimmte Funktion übernehmen zu können.
Allerdings wäre es denkbar, strukturell
einfache Organe wie Blutgefäße, Haut
oder sogar Herzklappen herzustellen. Zurzeit
wird hier in Deutschland Spenderhaut
zur Versorgung von Brandverletzten ausschließlich
aus dem Ausland bezogen. Diese
von Toten entnommene Spenderhaut
muss aber nach spätestens fünf Tagen aufgrund
der Abstoßungsreaktionen wieder
abgelöst werden und durch körpereigene
Haut ersetz werden, die an anderen Stellen
entnommen wurde. Dies ist ein großes Risiko
für den Patienten, da Hauttransplantationen
meist das Risiko größerer Blutverluste
bergen. Deshalb wäre es ein großer
Fortschritt für die Medizin, Haut aus körpereigenen
Zellen in vitro gewinnen zu
können. Die Abstoßungsgefahr wäre bei
diesem Verfahren äußerst gering.
Die Medizinische Hochschule Hannover
forscht bereits an einem Verfahren, bei dem
durchtrennte Nervenfasern ohne Schäden
wieder verbunden werden können. Momentan
ist dies noch sehr problematisch,
da bei ausgedehnten Nervenverletzungen
unbehandelte Nerven knotenartig verwachsen.
Mit der Spinnenseide allerdings
soll es möglich werden, die Nerven wieder
zu verbinden (vgl. [3]). Das Verfahren
wird bereits an Schafen getestet, nachdem
Tests an Ratten erfolgreich verliefen.
Da Spinnenseide eine begünstigende
Wirkung auf die Hämostase hat, wäre es
durchaus denkbar, Pflaster bzw. Verbandsmaterialien
aus Spinnenseide herzustellen.
Die spezifischen Eigenschaften der Seide
(Möglichkeit sterilisiert zu werden, Elastizität
und Reißfestigkeit) legen nahe, dass
eine solche Idee durchaus umsetzbar wäre.
Problematisch bei der industriellen Umsetzung
dieser Idee wäre allerdings, dass der
Bedarf an Spinnenseide äußerst hoch wäre
und allein durch eine natürliche Seidenproduktion
durch Spinnen nicht gedeckt
werden könnte. Auch andere Projekte
wie die bereits erwähnten kugelsicheren
Westen aus Spinnenseide erfordern einen
alternativen Herstellungsprozess von Spinnenseide.
An der Lösung dieses Problems
wird bereits geforscht. In Laboren bereits
praktizierte Lösungsansätze sind beispielsweise
die genetische Manipulation von
Tabak- und Kartoffelpflanzen, sodass diese
Spinnenseideproteine aufweisen (vgl.
[4]), oder die genetische Veränderung von
Ziegen, in deren Eutern sich anschließend
Spinnenseideproteine nachweisen lassen
(vgl. [5]). Ein neueres Verfahren benutzt
Darmbakterien, um die Spinnenseideproteine
zu synthetisieren (vgl. I[6]). Problematisch
bei diesen Verfahren ist allerdings,
die Proteine nach der Isolation in die Fadenform
zu bringen, die die Eigenschaften
der Seide maßgeblich bestimmt.
Außerdem haben wir uns überlegt,
dass es eventuell möglich wäre, die Methode
des Elektrospinnings mit Spinnenseide
durchzuführen, indem die
Polymerlösung durch verflüssigte Spinnenseide
ersetzt wird. So könnte eine
Literatur:
Jugend forscht
Janina Otto (links), Gesine Scharf (rechts) und
Thekla (Spinne)
strukturierte, nahezu löcherlose Oberfläche,
auf der Zellen Gewebe bilden
könnten, hergestellt werden. Der Vorteil
von Spinnenseide gegenüber der Polymerlösung
wäre, dass die Spinnenseide nur aus
organischem Material besteht und somit
deutlich körperverträglicher ist.
Danksagung
Wir möchten uns ganz besonders herzlich
beim Labor für Experimentelle Plastische
Chirurgie und Regenerationsbiologie
der Medizinischen Hochschule
Hannover bedanken, dessen Team uns
die Versuchsdurchführungen in ihrem
Labor ermöglichte. Vielen Dank für die
Unterstützung! Wir würden uns über
eine zukünftige Zusammenarbeit sehr
freuen!
[1] Sponner, Alexander: Strukturelle und immunologische Charakterisierung
der Spinnenseide von Nephila clavipes. Jena 2003
[2] Allmeling, C.; Jokuszies, A.; Reimers, K.; Kall, S. & Vogt, P. M.: Use of
spider silk as an innovative material in a biocompatible artificial nerve
conduit. J. Cell. Mol. Med. 10(3)_ 770-777, Hannover 2006
[3] Die spinnen die Wissenschaftler, MHH-Forscherinnen und –Forscher
nutzen Spinnenfäden für die Züchtung neuer Nerven. In: MHH Info
Juni/Juli 2006 S. 26 f.
[4] Schusswesten aus Spinnennetzen, Leichter als Watte und zäher als
Stahl: Nach dem Vorbild der Natur wollen Forscher künstliche Spinnfäden
weben. Spiegel 14/2001 188
[5] http://abenteuerwissen.zdf.de/ZDFde/inhalt/23/0,1872,2039767,00.
html, 30.04.2003
[6] http://www.wdr.de/tv/quarks/sendungsbeitraege/2006/0926/006_
spinne.jsp, 28.09.2006
37
Young Researcher

Jugend forscht
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Junge Wissenschaft 84 // 2009
Philip Schmidt, *1990
Weißenburg
Schule:
Werner-von-Siemens-Gymnasium,
Weißenburg
Eingang der Arbeit:
Juli 2008
Zur Veröffentlichung angenommen:
August 2008
Young Researcher
Widerstand zwecklos
Die makroskopische Wellenfunktion als Grundlage der Theorie von Supraleitung
und Suprafluidität
Seit knapp 100 Jahren sind Supraleiter bekannt: elektrische Leiter, die bei tiefen Temperaturen (ca.
ab –150 °C) Strom ohne Widerstand leiten. Noch heute ist die theoretische Beschreibung dieses
Effektes eine Herausforderung. Ich zeige hier nun eine moderne Herleitung der London-Gleichungen
aus der Quantenmechanik, anstatt, wie üblich, aus der Elektrodynamik von Metallen. Auf diese Weise
kann dann ohne zusätzliche Annahmen die Fluxoid-Quantisierung richtig vorausgesagt werden.
1 Supraleitung und Suprafluidität –
worin liegt deren Faszination
Seit knapp einem Jahr forsche ich auf
diesem Themengebiet. Mich persönlich
fasziniert vor allem, Grenzen zu überschreiten,
d.h. die Elektrodynamik von
Normalmetallen mit Hilfe quantenmechanischer
Methoden zu verallgemeinern,
um zu sehen, dass man in semiklassischer
Physik ohne messbaren Widerstand
Strom leiten kann. Dies funktioniert
nur durch Komplexität, doch dabei hilft
Neugier für das Unbekannte. So soll dieser
Artikel auch Neugierde auf eine noch
erscheinende Publikation in Zusammenarbeit
mit Dietrich Einzel, meinem Projektbetreuer,
wecken, die diese Thematik
weiter vertieft [9]. Hier möchte ich mich
darauf beschränken, eine moderne Herleitung
der London-Gleichungen aus der
Quantenmechanik, anstatt wie üblich,
aus der Elektrodynamik von Metallen,
zu zeigen, die dann ohne zusätzliche Annahmen
die Fluxoid-Quantisierung richtig
voraussagt.
2 Elektrodynamik von Normalmetallen
Als Grundlage sollen zunächst Phänomene
von Normalmetallen diskutiert
werden, um im späteren Verlauf der Arbeit
über deren Bedeutung in Supraleitern
Vorkenntnisse zu haben.
2.1 Maxwell-Gleichungen
Ausgangspunkt für diese Betrachtungen
bilden die vier Maxwell-Gleichungen in
Materie von der Form:
Ampere:
(
∇ × H = µ 0 j e + ∂D )
∂t
(1)
(
Faraday:
∇ × E = − ∂B
∂t
Gauss:
∇ · B = 0
Coulomb:
(2)
(3)
∇ · D = n e
(4)
Wobei n e für die Ladungsdichte und j e für
die Ladungsstromdichte steht.
Diese Gleichungen können wie folgt interpretiert
werden:
Durch die Quellfreiheit von Gleichung
(3) lässt sich die magnetische Induktion
B schreiben als Rotation eines beliebigen
Vektorfeldes A:

Jugend forscht
+
B = ∇ × A (5)
Über das Faraday-Gesetz kann man
dann die elektrische Feldstärke E parametrisieren,
nämlich als Funktion von
und A mit:
E = −∇Φ − ∂A
∂t
(6)
Die Divergenz von Gleichung (1) liefert
∇ · j e + ∇ · ∂
∂t D = 0
Unter Zuhilfenahme von Gleichung (4),
sowie einer anschließenden Division
durch µ 0 zeigt sich:
∂n e
∂t + ∇ · j e = 0 (7)
Dies ist eine Kontinuitätsgleichung mit
einer Ladungsstromdichte j e , die sich
immer aus einem Produkt von Ladungsdichte
n e , Ladung q = e und Driftgeschwindigkeit
v zusammensetzt, d.h.
j e = e n e v. Sie beschreibt die Ladungserhaltung
in einem elektrischen Leiter, d.h.
wenn sich die Elektronendichte zeitlich
ändert, muss die Strömung Quellen oder
Senken haben.
2.2 Drude-Ohm-Gesetz
Die Gleichung für die Stromrelaxation
im Normalmetall ist von der Form:
[ ∂
∂t + 1 τ e
+ 0 ( ∇ 2)] j e = en eE m
wobei in diese die Ladung e, die Masse
m, die Streurate 1/ , die sich aus Beiträgen
von elastischen und inelastischen
Stößen zusammensetzt, sowie die Ladungsstromdichte
j e eingehen. Nun wird
eine harmonische Zeitabhängigkeit der
elektrischen Feldstärke E angenommen,
d.h. E(r, t) = E 0 (r)exp(-it). Daraus ergibt
sich für die Ladungstromdichte:
j e (r,t) = e − t τ
(
j e 0(r)−
)
ne 2
m
−iω + 1 E 0 (r) +
τ e
ne 2
m
−iω + 1 E(r,t)
τ e
(8)
Diese kann nun für zwei Fälle interpretiert
werden:
Für den Fall, dass die betrachtete Zeit t
sehr groß gegenüber der Stoßzeit e
wird, verschwindet der abklingende
Teil und lediglich der „steady state“-
Beitrag bleibt übrig.
j e (r,t) τe

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Junge Wissenschaft 84 // 2009
Jugend forscht
Die Resultate haben die Form für den
Realteil (die erste Madelung-Gleichung):
¯h ˙ϕ +
(¯h∇ϕ − eA)2
2m
+ eΦ = ¯h2 ∇ 2 a
2ma 2 (15)
Imaginärteil (die zweite Madelung-
Gleichung):
E = −∇Φ − ∂A
∂t
(16)
3.3 Interpretation der Madelung-Gleichungen
Diese Gleichungen werden nun interpretierbar,
weil gilt:
ΨΨ ∗ = a 2 ≡ n p ⇒
Zweite Madelung-Gleichung:
∂n
[
p
∂t + ∇ · np
]
m (¯h∇ϕ − eA) = 0
} {{ }
j p =n pv p
(17)
Wie aus Kapitel 2.1 bekannt, ist dies eine
Kontinuitätsgleichung, aber diesmal für
die Wahrscheinlichkeitsdichte n p und
den Wahrscheinlichkeitsstrom j p , der
sich aus Dichte und Wahrscheinlichkeitsgeschwindigkeit
zusammensetzt, für
die } man ablesen {{ kann: }
¯h∇ϕ − eA
v p =
m (18)
Es stellt sich also heraus, dass in der
Quantenmechanik Wahrscheinlichkeitsströme
fließen, die durch die Gesetze der
Hydrodynamik beschrieben werden können
(„Madelung-Flüssigkeit“).
Erste Madelung-Gleichung:
Unter Berücksichtigung von Gleichung
(18), sowie des quasiklassischen Limes,
d.h:
¯h 2 → 0 ,
erhält man die Hamilton-Jacobi-Gleichung
der klassischen Feldtheorie mit
dem Wirkungsfeld S≡ ¯hϕ :
¯h ˙ϕ + 1 2 mv2 p + eΦ = 0 (19)
Nach Newton gilt für eine Beschleunigung
dv/dt = F/m , daher sollte die
zeitliche Ableitung die beteiligten Kräfte
verraten. Dazu benötigt man aber die
Identität aus der Vektoranalysis, dass:
1
2 ∇ (v p) 2 = (v p · ∇)v p + v p × (∇ × v p )
Das Resultat lautet:
∂v p
∂t + (v p · ∇)v p ≡ dv p
=
dt
= e m [E + v p× B]
(20)
Die linke Gleichungsseite ist äquivalent
zur Euler-Gleichung der Hydrodynamik,
die somit die Beschleunigung in einer
Flüssigkeit beschreibt. Diese wird nur
durch die elektrische Kraft eE und die
Lorentz-Kraft ev p × B beeinflusst. Eine
Reibungskraft tritt nicht auf! Die Madelung-Flüssigkeit,
d.h. die Wahrscheinlichkeitsverteilung,
verhält sich wie eine
ideale Flüssigkeit ohne jegliche Reibung.
4 London-BCS-Theorie
4.1 Die Idee hinter der Theorie
Die Eigenschaften eines Supraleiters
zeigen, dass das elektronische System in
ihm dem eines sog. Bose-Einstein-Kondensats
sehr ähnlich ist. Problematisch
ist allerdings, dass es sich bei den Elektronen
durch ihren halbzahligen Spin um
Fermionen handelt, die somit kein Bose-
Kondensat bilden können. Jedoch gibt es
die Möglichkeit der Cooper-Paarbildung
von Elektronen mit antiparallelen (Singulett)
oder parallelem (Triplett) Spin.
Durch den Spin 0 bzw. 1 gilt für sie das
Pauli-Prinzip nicht mehr; es kommt zur
Pseudo-Bosonen-Kondensation. Dies ist
allerdings erst seit der BCS-Theorie aus
dem Jahre 1957 bekannt, daher berücksichtigt
die ursprüngliche London-Theorie
diese Erkenntnisse nicht [2], [6], [7].
In einem solchen Kondensat besetzt eine
makroskopische Anzahl an Elektronenpaaren
den niedrigsten Energiezustand,
d.h. auch, dass sie alle dieselben Eigenschaften
besitzen. Dieses entartete System
muss quantenmechanisch betrachtet
werden, allerdings braucht nicht mehr
für jedes einzelne Elektron eine Wellenfunktion
aufgestellt werden, sondern es
genügt eine einzige, die im vorherigen
Kapitel bereits diskutiert wurde, die sog.
makroskopische Wellenfunktion. Daher
werden die Wahrscheinlichkeitsgrößen
durch echte, makroskopische „supra“-
Größen ersetzt. Dabei ist allerdings zu
beachten, dass es sich je nach System
um Bosonen oder Cooper-Paare handelt.
Man muss deshalb einen Faktor
k einführen, der für Bosonen als 1, für
Fermionen-Paare als 2 definiert ist. Der
Zusammenhang der Größen mit diesem
Faktor ergibt sich wie folgt:
e→ke = Q; m→km = M;
n p → ns
k
v p → v s ; j p → js k = Js ,
Wobei sich der Faktor k bis auf den
Phasengradient herauskürzt, wie zum
Beispiel bei der Suprageschwindigkeit:
v s ¯h∇ϕ − QA
= =
M
¯h
k
∇ϕ − eA
m
¯h∇ϕ − keA
km
=
(21)
Die Gleichungen aus dem vorherigem
Kapitel haben folglich die Form:
j s e = QN s v s = ens
m
) (¯h
k ∇ϕ − (
eA
(22)
∂v s
∂t + (vs · ∇)v s ≡ dvs =
dt
e
m [E + vs × B] (23)
Um zu sehen, wie das Kondensat des
Supraleiters auf Störungen reagiert, gibt
es zwei Gleichungen, die historisch als
erste und zweite London-Gleichungen
bekannt sind. Die erste beschreibt den
Landungs- oder Massentransport im
Supraleiter/suprafluidem Medium und
die zweite die Magnetfeld-Abschirmung.
Zunächst soll mit der ersten begonnen
werden.
4.2 Erste London-Gleichung
Setzt man den Ladungsstrom j s e = e j s
nun in die Euler-Gleichung ein, multipliziert
mit e n s und beschränkt sich auf
lineare Terme, erhält man für die Beschleunigung
des Stromes:
∂
∂t js e = e m [ens E + j s e× B] (24)
Der Term (v s . ∇ × )v s kann aufgrund der
Linearisierung vernachlässigt werden.
Diese Gleichung ist die sogenannte 1.
London-Gleichung, die den dissipationsfreien
Stromtransport (Dauerströme)
im Supraleiter beschreibt, wobei der 2.
Summand darüber hinaus geht. Er hat
keinen Zusammenhang zum Stromtransport
in Richtung des elektrischen Feldes,
sondern beschreibt die Kreisbewegung
im Magnetfeld. Die Gleichung

42
Junge Wissenschaft 84 // 2009
Jugend forscht
entspricht dem erwarteten Resultat für
einen verlustfreien Stromfluss (vgl. Abschnitt
2.2, Gl. (10)).
4.3 Zweite London-Gleichung
Bildet man die Rotation des Ladungsstromes
j s e von Gleichung (22), so erhält
man nach Maxwell einen Ausdruck, der
proportional zur magnetischen Induktion
ist:
∇ × j s e = − e2 n s
m B (25)
Dieser beschreibt die Magnetfeld-Abschirmung.
Dadurch ergibt sich die Londonsche-Eindringtiefe
(vgl. Abschnitt
2.3, Gl. (12)) mit:
√
Stokes ∫
m
λ L =
µ 0 n s e 2 S
(26)
Die Herleitung erfolgt ähnlich wie in Abschnitt
2.3.
4.4 Fluxoid-Quantisierung
Eigenschaften des Suprastromes:
Mit Hilfe der Eindringtiefe wird der Suprastrom
nun umgeformt, da wir den
Phasengradienten nachher genauer untersuchen
wollen:
j s e = ns e 2 (−A + ¯h )
m ke ∇ϕ =
= 1 λ −2
L
(−A + ¯h )
µ 0 ke ∇ϕ
⇒ ¯h ke ∇ϕ = λ2 Lµ 0 j s e + A (27)
Das Fluxoid-Quantum:
Wir bilden jetzt das Linienintegral von
j s e, die Integration erfolgt dabei im supraleitendem
Gebiet auf einer geschlossenen
Kurve ∂S, die eine Fläche S einschließt
(∂S ist der Rand von S). Dabei erzwingt
die Eindeutigkeit der quantenmechanischen
Wellenfunktion:
∮
∂S
dr · ∇ϕ(r,t) = 2πn mit n = 1, 2,3,...
(28)
Daraus folgt unter Zuhilfenahme des
Stokeschen Integralsatzes:
2πn ¯h ke = ∮
⎛
dr · (λ 2 Lµ 0 j s e + A ) Stokes
=
⎞
⎜
dS · ⎝λ 2 Lµ 0 ∇ × j s ⎟
e + ∇ × A
} {{ } } {{ }
⎠ = Φ n
1 B
Es handelt sich um ein B-Feld (vgl. Gl.
(5)), das über eine Fläche S integriert
wird. Dies ist im Allgemeinen als magnetischer
Fluss bekannt, der aber
in diesem Fall (vgl. Gl. (28)) gequantelt
ist. Liegt die Integrationskontur tief
im Inneren des supraleitenden Gebiets
(j s e = 0) spricht man von Fluss-Quantisierung,
verläuft die Kontur hingegen in
Bereichen in denen j s e ≠ 0 gilt, trägt Term
1 zur Quantisierung bei und man spricht
von Fluxoid-Quantisierung:
⎝
} {{ }
Φ n = n · Φ 0
mit Φ 0 = h ke
(29)
Kürzte sich der Faktor k bis jetzt bei allen
anderen Ergebnissen heraus, so tritt
er nun an dieser Stelle erstmals explizit
auf. Dies war ein möglicher Ansatzpunkt
für eine experimentelle Überprüfung der
London-BCS-Theorie, mit der sie im
Doll-Näbauer-Experiment belegt wurde.
4.5 Doll-Näbauer-Versuch
Robert Doll und Martin Näbauer [3]
maßen den magnetischen Fluss in
Abhängigkeit eines extern angelegten
Magnetfeldes B ext in einem supraleitenden
Hohlzylinder aus Blei, zeitgleich
auch Deaver und Fairbank [4]. Dabei
legten sie zunächst im normalleitenden
Zustand ein B ext -Feld an, kühlten
den Supraleiter unter T c ab und schalteten
dann das B ext -Feld wieder ab. Da
B ext ,S=0, wobei S in diesem Fall Kreisfläche
des Zylinders beschreibt, blieb
konstant, weshalb der Zylinder wie
ein Stabmagnet mit Moment µ wurde.
Durch Anlegen eines Wechselfeldes B ac
parallel zu µ begann der Zylinder zu
schwingen und die Amplitude konnte
mit einem Spiegel gemessen werden, womit
letzlich bestimmt wurde. Siehe
Abbildung 1.Es zeigte sich eine Quantelung
des Fluxoids:
Φ n = n · Φ 0 ; mit Φ 0 = h und
2e
und n = 1, 2,3,... (30)
4.6 Neutrale Systeme
Wurde bis jetzt nur geladenen Systemen
Beachtung geschenkt, so soll sich
dies ab hier ändern. Deswegen folgt eine
kurze Zusammenfassung, wie die bisherigen
Resultate in ungeladenen Systemen
(q = 0) aussehen [8]. Dabei ist zu
beachten, dass sich für ein allgemeines
Vielteilchensystem das bereits bekannte
elektro(chemische) Potenzial wie folgt
zusammensetzt:
}{{}
eΦ → eΦ + µ
} {{ }
Einteilchen V ielteilchen
Geschwindigkeit:
Hier fällt das Vektorpotential A weg, da
es immer an die Ladung koppelt.
v s = ¯h
km ∇ϕ
Abb. 1: Zum Doll-Näbauer-Versuch aus [3]
Stromdichte:
Bisher wurde nur die Ladungsstromdichte
j s q untersucht, aber in

Jugend forscht
ungeladenen Systemen ist vielmehr die
Massenstromdichte j s m = m j s von Bedeutung,
die interessanterweise massenunabhängig
ist.
j s m = n s ¯h k ∇ϕ
Beschleunigung:
Hierbei ist zu beachten, dass im Allgemeinen
die Kraft F nicht durch das skalare
Potenzial alleine sondern durch das
sog. elektrochemische Potenzial q +µ
definiert ist:
5 Zusammenfassung
Die London-BCS-Theorie kann die
Elektrodynamik von Supraleitern richtig
erklären. Sie ist jedoch nicht dazu ausgelegt,
zwischen Typ 1 und Typ 2 Supraleiter
zu unterscheiden, im Gegensatz zur
Ginzburg-Landau-Theorie [5]. Jedoch ist
die superfluide Dichte ns keine phänomenologische
Größe mehr, sondern wird
über mikroskopische Betrachtung berechenbar,
wodurch auch Aussagen über
Temperaturabhängigkeiten möglich werden.
Experimentell bestätigt wurde die
Cooper-Paar-Hypothese erstmals 1961.
Danksagung
Mein Dank richtet sich in erster Linie an
Dr. Dietrich Einzel für seine stetige Unterstützung,
die für mich zu keinem Zeitpunkt
eine Selbstverständlichkeit war
und ist. Zudem auch an meine Schulleitung
unter der Leitung von OStD Dieter
Theisinger und StD Wolfgang Haasler,
sowie an meine Lehrer StR Koch André,
LAss Michael Bauer und OStR Wolfgang
Leidel. Nicht zuletzt auch StRin Sonja
Aßmann für die vielen Tipps.
43
Young Researcher
qE = ∇ (−qΦ) − qȦ → −∇ (µ 0 + δµ) ≡ F
} {{ } } {{ }
geladen ungeladen
F = −∇δµ
} {{
Damit
}
gilt:
} {{ }
Anschließend folgt noch eine Zusammenfassung
der Ergebnisse in tabellarischer
Form, auch für ungeladene
Systeme und mit der verallgemeinerten
Ladung q.
dv s
dt
= F m = − 1 m ∇δµ (31)
Erste London-Gleichung:
Da die Geschwindigkeit nur vom Gradienten
der Phase abhängt, verschwindet
in der Identität der Term mit den Kreuzprodukten.
∂
∂t vs + (v s · ∇)v s ≡ dvs = − 1 dt m ∇δµ (32)
Die Begründung zur totalen Ableitung
ist dieselbe wie in Kapitel 3.3, der Gradient
des chemischen Potenzials wird wie
bei der Beschleunigung behandelt (Gl.
(31)). Anschließend wird in diese Gleichung
der Massenstrom j s m = m∙n s ∙v s für
die Geschwindigkeit vs eingesetzt und
die gesamte Gleichung mit m/ns multipliziert.
Wie in Kapitel 4.2 verschwindet
die Ortsableitung, da die erste London-
Gleichung linearisiert ist. Sie lautet für
neutrale Systeme daher:
∂
∂t js m = −n s ∇δµ
Zweite London-Gleichung:
Da der Phasengradient verschwindet, gilt
für die Rotation des Massenstromes:
∇ × j s m = 0 (33)
In neutralen Systemen gibt es weder
Abschirmlänge noch Fluxoid-Quantisierung.
Geschwindigkeit
Stromdichte
Beschleunigung
1. Londongleichung
2. Londongleichung
Abschirmlänge
Fluxoid-Quantum
Geladene Systeme
(¯h
k
v s = 1 m
∇ϕ − qA)
( )
∇ − j s (¯h
q = qns
m ( k
∇ϕ − qA) )
v ∇ −
dv s
dt
= q m [E + vs × B]
j s
dt m
×
Neutrale Systeme
v s = 1 ¯h
m k ∇ϕ
∇
j s m = n s ¯h k ∇ϕ
v ∇
dv s
dt
= − 1 m ∇δµ
j
dt
− m
∇
∂j s q
∂t
= ns q 2
m E ∂j s m
∂t
= −n s ∇δµ
∂t m
∂t
− ∇
∇ × j s q = ns q 2
m
√
B
∇ × j s q = 0
∇ ×
∇
√
λ 0 = m
√
×−
µ0n s q 2 −
Φ 0 = h kq
Tab. 1: Resultate der London-BCS-Theorie
Literatur:
[1] Schwabl, Franz, Quantenmechanik 1, Springer, Berlin (2007)
[2] London, Fritz; London, Heinz; Proc. Roy. Soc. A 145, London (1935)
[3] Doll, Robert; Martin, Näbauer; Phys. Rev. Lett. Nr. 7, (1961) S. 51
[4] Deaver, B. S.; Fairbank, W. M.; Phys. Rev. Lett. Nr. 7, (1961) S. 43
[5] Lasarewitsch, Witali; Ginzburg, Lew D.; Zh. Eksp. Theor. Fiz. 20,
(1950) S.1064
[6] Buckel, Werner, Kleiner, Reinhold; Supraleitung: Grundlagen und
Anwendungen Wiley-VCH, (2004)
[7] Einzel, Dietrich; Supraleitung und Suprafluidität; Lexikon der Physik,
Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg (2000) Band 5,
S. 228 - 235
[8] Einzel, Dietrich; Superfluids, Encyclopedia of mathematical physics,
Eds. Francoise J.-P., Naber G. L. and Tsou S. T., Oxford (2006)
Volume 5, S. 115 - 121
[9] Einzel, Dietrich, Schmidt, Philip; Theory of Superconductors, an
analytic approach Wird erscheinen in: The American Journal of
Physics, (2009)
−

Magazin
Dr. Matthias Frommert entwickelt Stahlwerkstoffe für Rohre und untersucht
deren Mikrostruktur mit dem Rasterelektronenmikroskop
(Quelle : Salzgitter AG)
56
Junge Wissenschaft 84 // 2009
Portrait
„Das lernen Sie alles an der Uni!“
Dr. Matthias Frommert entwickelt neue Stahlwerkstoffe bei Salzgitter Mannesmann Forschung
Biologie und Englisch als Leistungskurse:
Für ein Studium der Metallurgie und
Werkstofftechnik war Matthias Frommert
mit dieser Kombination eigentlich
nicht optimal vorbereitet.
Trotzdem hat es geklappt – Frommert
hat sein Studium an der Rheinisch-
Westfälischen Technischen Hochschule
(RWTH) in Aachen erfolgreich absolviert
und arbeitet jetzt im Salzgitter-
Konzern in Duisburg.
Bei der Salzgitter Mannesmann Forschung
GmbH entwickelt der mittlerweile
37jährige Stahlwerkstoffe für
Rohre, aus denen Pipelines, Kräne oder
Brücken entstehen.
Wie kam es zu der Entscheidung, in
die Welt der Werkstoffe einzutauchen
Es war ein Besuch an der RWTH, der
Frommert überzeugte.
Zum Ende der Schulzeit in Münster
fragte er sich – wie zu diesem Zeitpunkt
üblich – was kommt nach dem Abi
Auf einem Infotag in Aachen sprach er
mit Studierenden und Doktoranden.
„Das hat mich fasziniert; ihre Erzählungen
von spannenden Themen und
Projekten aus der Werkstoffforschung
haben mich beeindruckt. Außerdem
hatte ich das Gefühl, dass die RWTH
Aachen eine Uni ist, an der ich mich
wohlfühlen würde.“
Aber Frommert fragte sich ebenfalls:
„Bin ich richtig vorbereitet – Mathe,
Physik und Chemie hatte ich doch nur in
Pflichtkursen in der Oberstufe gehabt“
Etwas zuversichtlicher stimmte ihn eine
Anfrage an einen Professor in Aachen.
Der antwortete knapp und bestimmt:
„Was Sie für‘s Studium brauchen, das
lernen Sie alles an der Uni.“
Und so kam es denn auch, obwohl das
Studium der Hüttenkunde, wie es damals
in Aachen noch hieß, in den ersten
Semestern kein Zuckerschlecken war.
Ab und an zweifelte der Jungstudent:
„Kann ich das schaffen“
Frommert schaffte es. „Ich musste mich
in Mathe und Physik durchbeißen. Mit
entsprechenden Leistungskursen am
Gymnasium wäre es wohl einfacher gewesen.
Außerdem waren wir im Grundstudium
mit den E-Technikern und den
Maschinenbauern zusammen in den
Veranstaltungen. Da wurde viel Stoff in
recht kurzer Zeit vermittelt.“

Magazin
Bis zum Vordiplom sei die inhaltliche
Beschäftigung mit dem eigentlichen Studienfach
eher gering gewesen, berichtet
Frommert. Allerdings änderte sich dies
im Hauptstudium. „Von da an beginnt
es, richtig interessant zu werden“, entdeckte
er und merkte, dass ihn besonders
die metallphysikalischen Hintergründe
interessieren und erst in zweiter Linie die
prozessorientierten Inhalte.
Also vertiefte Frommert Werkstoffwissenschaften
und promovierte nach dem
Diplom am Institut für Metallkunde und
Metallphysik.
Seine Entscheidung in Aachen zu studieren
hat er nie bereut: „Die RWTH
hat bei den Ingenieurwissenschaften einen
exzellenten Ruf. Zudem gab es im
Hauptstudium eine Eins-A-Betreuung.
Die Zahl von Studierenden war relativ
gering im Verhältnis zu den Professoren
und Assistenten.“
57
Young Researcher
Die nächste berufliche Station war das
Max-Planck-Institut für Eisenforschung
in Düsseldorf. Als so genannter Post-Doc
leitete er das Projekt „Kornorientierte
Elektrostähle“. Besonders gereizt hat
Frommert hier, dass es sich um Grundlagenforschung
handelte, die einen starken
Bezug zur industriellen Produktion hatte.
Seit April 2009 ist Frommert in Duisburg
und kümmert sich besonders um
das neue Rasterelektronenmikroskop.
„Mit diesem Gerät erhalten wir völlig
neue Einblicke in den Stahl, in seine
Mikrostruktur“. Denn erst bei hohen
Vergrößerungen ist es möglich, die komplexen
Strukturelemente in der Größenordnung
von einigen hunderttausendstel
Millimetern aufzulösen, aus denen
kristalline Werkstoffe bestehen. Und
letztlich ist es genau diese Mikrostruktur,
die die Eigenschaften des Werkstoffs
bestimmt.
„Wenn wir die Zusammenhänge zwischen
der Legierung, den Herstellungsprozessen
und deren Auswirkungen
auf die Mikrostruktur besser verstehen
lernen, dann können wir noch gezielter
Werkstoffeigenschaften beeinflussen und
neue Stahlgüten erforschen“, berichtet
Frommert.
Mit seinen Kolleginnen und Kollegen
in der Abteilung Werkstoffentwicklung
wird daran gearbeitet, für die Partner im
Mikrostruktur eines Stahlblechs gemessen im Rasterelektronenmikroskop; die Farben stellen
unterschiedliche kristallographische Orientierungen dar. (Quelle: Salzgitter AG)
Salzgitter Konzern und externe Kunden
den jeweils passenden Stahlwerkstoff mit
den optimalen Eigenschaften für deren
zukünftige Anwendungen zu entwickeln.
So ist das berufliche Interesse von
Dr. Matthias Frommert stark auf die Zukunft
von Stahl gerichtet. Privat schaut
er ganz gern zurück und findet an Dingen
gefallen, die schon Jahrhunderte alt
sind – und gerade deshalb sehr reizvoll.
Er ist an alter Musik und Archäologie
interessiert. Besonders barocke Opern
und Kunstwerke aus ägyptischer und
römischer Zeit haben es ihm angetan.

Magazin
62
Junge Wissenschaft 84 // 2009
Studien- und Berufsführer
Werkstoffwissenschaften &
Materialwissenschaften
Die Werkstofftechnologien gehören zu Deutschlands Schlüsseltechnologien: Rund fünf Millionen
Menschen arbeiten in Branchen, in denen die Werkstofftechnologien eine entscheidende Rolle spielen.
Denn ohne die entsprechenden Werkstoffe können heute kaum noch neue Technologien in die
Anwendung gebracht werden.
Ziel der Werkstoff- und Materialwissenschaften
ist die Entwicklung moderner
Materialien mit verbesserten
Funktionen, innovativer Kompabilität,
niedrigem Energieverbrauch bei der
Herstellung und minimaler Umweltbelastung
- bei gleichzeitiger Reduktion
ihres Gewichts und Volumens. Auch die
Schonung vorhandener Ressourcen ist
von immer zentralerer Bedeutung.
Im Zentrum des Studiums stehen die
Eigenschaften der Materialien, die
Gewinnung von Rohstoffen bzw. die
Herstellung von Werkstoffen und ihren
Anwendungsmöglichkeiten. Zu
den Werkstoffen mit denen Studenten
im Laufe ihres Studiums in Berührung
kommen gehören u.a. Metalle, Halbleiter,
Keramik, Glas, Polymere, Gummi
sowie diverse Verbundstoffe.
Studieren kann man Werkstoffwissenschaften
bzw. Materialwissenschaften an
Universitäten und Technischen Hochschulen
sowie an Fachhochschulen. Je
nach Studienabschluss dauert das Studium
sechs Semester als Bachelor oder
neun bzw. zehn Semester als Diplom.
Zumindest an den Fachhochulen sind
zusätzlich Vorpraktika und Praxissemester
abzuleisten.
Interesse an Mathe, Physik und
Technik
Die Zahl der werkstoffwissenschaftlichen
Studiengänge ist groß - einige
grundlegende Voraussetzungen sind
jedoch für alle ähnlich. Die Werkstoffwissenschaften
greifen auf Grundlagen
verschiedener Natur- und Technikwissenschaften
zurück, so dass Studieninteressierte
über gute Kenntnisse in Mathematik
und den Naturwissenschaften
sowie technisches Interesse verfügen
sollten. Auch analytisches Denken und
fachübergreifende Qualifikationen sind
gefragt, etwa Teamfähigkeit oder Flexibilität,
gute Englischkenntnisse und ein
sicherer Umgang mit Software sind von
Vorteil.
Unterschieden werden folgende Fachbereiche:
Mathematik, Physik, Chemie,
physikalische Chemie, Kristallstrukturlehre,
Konstruktionslehre, Technische
Mechanik und allgemeine Werkstoffwissenschaften.
Eng verwandt sind die
Werkstoffwissenschaften u.a. mit der
Werkstofftechnik einschließlich der Nanotechnik,
mit der Oberflächentechnik,
mit der Metallkunde, mit der Kunststofftechnik
und mit der Papiertechnik.
Beschäftigungsaussichten
Mehr als 60 % aller forschenden Unternehmen
in Deutschland setzten sich
in irgendeiner Form mit Fragen aus der
Werkstofftechnik auseinander. Dementsprechend
vielseitig sind dadurch die
Einsatzgebiete nach einem erfolgreichen
Abschluss eines derartig ausgerichteten
Studiums. In der Industrie sind Werkstoffwissenschaftler
aufgrund ihrer
soliden Kenntnissen in natur- und ingenieurwissenschaftlichen
Grundlagen
sowie über die Werkstoffe und deren
Technologien sowohl in der Forschung
und Entwicklung als auch in der Materialherstellung
bzw. -verarbeitung, in der
Produktentwicklung oder der Qualitätssicherung
ebenso tätig, wie in Management,
Marketing oder Verkauf.
Genauso breit gefächert sind dabei die
jeweiligen Branchen, in denen Werkstoffingenieure
ihren Beruf ausüben
können: je nach Werkstoff kann das in
der Verkehrstechnik, im Maschinenbau,
in der Umwelttechnik, im Bereich der
Informations- und Kommunikationstechnologien,
der chemischen Industrie
oder der Elektrotechnik sein. Darüber
hinaus finden Absolventen Beschäftigung
in der Denkmalpflege oder bei
öffentlichen Prüfstellen, wie der Bundesanstalt
für Materialprüfung.
Wer sich für ein werkstoffwissenschaftliches
Studium entscheidet, hat auf
jeden Fall gute Chancen auf einen zukunftssicheren
Arbeitsplatz.

Magazin
Studiengänge im Bereich
Werkstoffwissenschaften/
Materialwissenschaften
1
RWTH Aachen:
Materialwissenschaften
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Materialwissenschaften
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Werkstoffingenieurwesen
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Werkstoffingenieurwesen
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Angewandte Polymerwissenschaften
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
3
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Universität Augsburg:
Materialwissenschaften
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Materialwissenschaften
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Advanced Materials Science
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 3 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Functional Advanced Materials
and Engineering (FAME)
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
4
5
Universität Bayreuth
Materialwissenschaft
• Abschluss: Diplom-Ingenieur
• Studiendauer: 10 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Materialwissenschaft und Werkzeugtechnik
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Materials Science and Engineering
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemeter,
Wintersemester
TU Berlin:
Werkstoffwissenschaften
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
63
Young Researcher
2
Hochschule Aalen
Oberflächen- und Werkstofftechnik
• Abschluss: Bachelor of Engineering
• Studiendauer: 7 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Angewandte Oberflächen- und
Werkstofftechnik
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 3 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Polymer Technology
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester

Magazin
64
Junge Wissenschaft 84 // 2009
6
7
Polymer Science
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Fachhochschule Bielefeld:
Produktions- und Kunststofftechnik
• Abschluss: Bachelor of Engineering
• Studiendauer: 7 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Hochschule Bonn-Rhein-Sieg:
Chemie mit Materialwissenschaften
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
TU Clausthal:
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Werkstofftechnik
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester
Wintersemester
Materialwissenschaften
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
13
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 3 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Advanced Materials and Processes
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Hochschule Esslingen:
Angewandte Oberflächen- und
Materialwissenschaften
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 3 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
8
9
Universität Bremen:
Materialwissenschaftliche Mineralogie,
Chemie und Physik
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Computational Materials Science
• Abschluss: Matser of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
TU Clausthal:
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
10
11
12
TU Darmstadt:
Materialwissenschaft
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
TU Dresden:
Werkstoffwissenschaften
• Abschluss: Diplom-Ingenieur
• Studiendauer: 10 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
FAU Erlangen-Nürnberg:
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
14
15
16
TU Bergakademie Freiberg:
Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie
• Abschluss: Diplom-Ingenieur
• Studiendauer: 10 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Fachhochschule Gelsenkirchen:
Chemie mit Materialwissenschaften
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
JL Universität Gießen:
Materialwissenschaften
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester

Magazin
25
• Studiendauer: 3 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
CA Universität zu Kiel:
Materialwissenschaft
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Materialwissenschaft
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
65
Young Researcher
17
18
19
20
21
GA Universität Göttingen:
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
ML Universität Halle-Wittenberg:
Polymer Materials Science
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
TU Hamburg-Harburg:
European Masters in Materials
Science
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
GWL Universität Hannover:
Material- und Nanochemie
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
HfAW Hof:
Systemwerkstoffe
• Abschluss: Bachelor of Engineering
• Studiendauer: 7 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
22
23
24
Verbundwerkstoffe
• Abschluss: Master of Engineering
• Studiendauer: 3 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
TU Ilmenau:
Werkstoffwissenschaft
• Abschluss: Bacherlor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Fachhochschule Jena:
Werkstofftechnik
• Abschluss: Bachelor of Engeneering
• Studiendauer: 6 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Werkstofftechnik
• Abschluss: Master of Engeneering
• Studiendauer: 4 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
FS Universität Jena:
Werkstoffwissenschaft
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
TU Kaiserslautern:
Material- und Produktionstechnik
• Abschluss: Master of Science
26
27
28
29
30
Universität Konstanz:
Molekulare Materialwissenschaften
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Molekulare Materialwissenschaften
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Universität Leipzig:
Molekulare Materialwissenschaften
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
TU München:
Molekulare Materialwissenschaften
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 3 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Fachhochschule Münster:
Angewandte Materialwissenschaft
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
GSOHfaW Nürnberg:
Werkstofftechnik
• Abschluss: Bachelor of Engineering
• Studiendauer: 7 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester

Magazin
66
Junge Wissenschaft 84 // 2009
31
Neue Materialien, Nano- und
Produktionstechnik
• Abschluss: Master of Engineering
• Studiendauer: 3 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester
Fachhochschule Osnabrück:
Kunst- und Werkstofftechnik
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Kunst- und Werkstofftechnik
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
33
34
Werkstofftechnik
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Universität Stuttgart:
Materialwissenschaften
• Abschluss: Bachelor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Universität Ulm:
Advanced Materials
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
35
JM Universität Würzburg:
Technologie der Funktionswerkstoffe
• Abschluss: Bacherlor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
Technologie der Funktionswerkstoffe
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Universität Osnabrück:
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
25
32
Universität des Saarlandes:
Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Abschluss: Bacherlor of Science
• Studiendauer: 6 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Sommersemester,
Wintersemester
Materialwissenschaft
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• keine Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
1
15
7
29
31
8
6
19
20
17
9
22
23
18
27
5
14
11
Advanced Materials Science and
Engineering (AMASE)
• Abschluss: Master of Science
• Studiendauer: 4 Semester
• örtliche Zulassungsbeschränkung
• Studienbeginn: Wintersemester
32
24
16
10
35
12
30
4
21
13
2
33
34
3
28
26

Magazin
67
Young Researcher

Magazin
68
Junge Wissenschaft 84 // 2009
Advertorial
Von der Vorlesung in die Konstruktion
Duales Studium bei SMS Siemag AG
Aus dem guten alten Stahl ist heute ein
moderner Hightech-Werkstoff geworden.
Über zweitausend Stahlsorten gibt es.
Mit maßgeschneiderten Eigenschaften.
Hochfeste Stähle machen beispielsweise
Autos leichter und erhöhen gleichzeitig
die Crash-Sicherheit, sie steigern den Wirkungsgrad
von Kraftwerken und werden
für hochbelastbare Bauteile in der Luftund
Raumfahrttechnik eingesetzt. Mit
neuen Stahlsorten lassen sich aber auch
zukunftsweisende Architekturprojekte
verwirklichen. Die Stahl- und Walzwerksbranche
ist zur sogenannten Enabler-
Industrie avanciert. Sie ermöglicht neue
Schlüsseltechnologien.
Mittlerweile wissen die Schulabsolventen
mit Hochschul- oder Fachhochschulreife,
wie spannend die Technik rund um
die Stahlerzeugung und -verarbeitung ist.
Einer der weltweit größten Anlagenbauer
in diesem Bereich – die SMS Siemag AG
– hat zum Popularitätsschub der Branche
maßgeblich beigetragen.
Das Unternehmen gehört zur SMS group.
Diese entwickelt und baut mit rund 8.900
Mitarbeiter Anlagen und Maschinen für
die Stahl- und NE-Metallindustrie. 2008
betrug der Umsatz rund 3,6 Mrd. Euro.
SMS Siemag liefert und errichtet Anlagen
für die gesamte Prozesskette vom flüssigen
Stahl bis zum fertig gewalzten Stahlblech
– also u.a. Schmelzöfen, Gießanlagen und
Walzwerke.
Familiengeführte Employer-Brand
Trotz dieser Größe und Internationalität
wird die SMS Group vom Inhaber und
Familienunternehmer Dr. Heinrich Weiß
geführt. Diese mittelständische Prägung
unterscheidet SMS Siemag von anderen
Konzernen. Dazu zählt beispielsweise,
dass junge Berufsanfänger bereits frühzeitig
Verantwortung übernehmen und
technische Trainees an der Seite erfahrener
Ingenieure im Ausland arbeiten.
Aber auch die Qualität und Praxisnähe
der Ausbildung gehört zu den traditionellen
Stärken des Unternehmens. Mit
seinen Karrieremöglichkeiten und Förderprogrammen
war und ist SMS Siemag ein
Employer-Brand, und zwar lange bevor
der Ausdruck für eine Arbeitgeber-Marke
überhaupt geprägt wurde.
Im Gegensatz zu den Trendbranchen
Automobil-, Computer- und Telekommunikations-Industrie
haftete den
Großanlagen und Maschinen allerdings

Magazin
ung von Studien-, Diplom- und Masterarbeiten
bis hin zum unternehmenseigenen
Stipendienprogramm.
69
lange etwas Schwerfälliges an. Doch das
verstaubte Image der „old economy“ gehört
längst der Vergangenheit an. Mit
neuen Anlagen- und Umweltschutz-
Entwicklungen, mit komplexen Automations-
und Prozesstechniken und mit
intelligenten Computersimulationen im
Rahmen von Virtual Reality rückte man
in den letzten Jahren zusehends in den Fokus
junger Menschen, die eine Ingenieurskarriere
planen.
SMS Siemag ist heute keine unbekannte
Größe bei den technisch orientierten
Schulabgängern. Die aktive Unternehmenspolitik
im Hinblick auf Nachwuchsförderungen
und das Engagement in
Schulen, Universitäten und auf Berufsmessen
zahlt sich also aus. Man kennt zunehmend
die Anlagentechniken und die
Karrierechancen bei SMS Siemag.
Duales Studium
Bestes Beispiel ist das „Duale Studium“
von SMS Siemag. Dabei werden betriebliche
und wissenschaftliche Arbeit kombiniert,
indem die Studierenden während
der Semesterferien bereits in ihrem
zukünftigen Bereich arbeiten. Reizvoll ist
dabei die finanzielle und fachliche Unterstützung
während des Studiums. Als Gegenleistung
verpflichtet man sich, nach
dem Studium drei Jahre bei SMS Siemag
zu arbeiten.
Das Duale Studium bei SMS Siemag
funktioniert folgendermaßen: Nach einer
verkürzten Berufsausbildung von zwei
bis zweieinhalb Jahren kann man an der
Universität Siegen und der FH Düsseldorf
einen Universitätsabschluss in den Fachrichtungen
Maschinenbau/Konstruktion
oder Elektrotechnik/Automatisierungstechnik
erreichen.
Auch für kaufmännische Berufe
steht das Duale Studium
in Kooperation mit den Fachhochschulen
für Ökonomie
und Management in Neuss
und Siegen offen. Die Absolventen
erreichen hier einen
Abschluss als Bachelor of Business
Administration.
Stipendien
Wer direkt ins Studium einsteigen
möchte, für den hält
der Anlagenbauer ebenfalls
attraktive Angebote bereit. Das reicht von
vielfältigen Praktika in den Fachabteilungen
bei SMS Siemag über die Betreu-
In enger Zusammenarbeit mit der RWTH
Aachen, der TU Clausthal und der TU
Darmstadt werden „technische Talente“
in den Fachrichtungen Metallurgie, Maschinenbau,
Elektrotechnik, Mechatronik,
Wirtschaftsingenieurswesen und
Wirtschaftswissenschaften finanziell gefördert.
Ziel ist es natürlich, die „High Potentials“
frühzeitig für das Unternehmen
SMS Siemag und seine Anlagentechniken
zu begeistern.
Seine Attraktivität steigert der zukünftige
Arbeitgeber auch mit dem gemeinnützigen
Verein „SMS Siemag Kolleg e.V.“.
Hierbei betreibt man gemeinsam mit der
RWTH Aachen ein Studentenwohnheim
für rund 60 Studenten, die damit den
Kopf für das Studium frei haben und
sich in der neuen Stadt nicht auf die
mühevolle und teure Zimmersuche begeben
müssen.
Young Researcher
Weiterqualifizierung
Und wie geht es nach dem Studium bei
SMS Siemag weiter Für ein Unternehmen,
das Anlagen für die Stahl- und NE-
Metalle-Industrie baut, hat der Ausspruch
„wer rastet, der rostet“ ganz besondere
Bedeutung. Aus diesem Grund gibt es
Personalentwicklungsprozesse (PEP), die
sowohl persönliche und fachliche Kompetenzen
langfristig ausbauen.
Außerdem sorgt die SMS-Akademie laufend
mit technischen, vertrieblichen und
interkulturellen Themen für ein umfassendes
Bildungsangebot.

Magazin
70
Junge Wissenschaft 84 // 2009
Die Fakultät für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der
TU Bergakademie Freiberg
Hightech-Materialien für die Zukunft
Werkstoffe sind Basis und Motor der deutschen Industrie. Ob Fahrzeug- und Maschinenbau, chemische
Industrie, Elektronikindustrie oder Metallverarbeitung: In allen Produkten dieser Branchen sorgen moderne
Werkstoffe für Innovation. Eine der bedeutendsten Ausbildungs- und Forschungseinrichtungen
auf dem Gebiet Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie ist die TU Bergakademie Freiberg.
Nach einer Studie des Bundesministeriums
für Bildung und Forschung (BMBF)
hängen 70 Prozent aller technischen Neuerungen
direkt oder indirekt von Werkstoffen
und Werkstofftechnologie ab.
Daher spielen Ausbildung und Forschung
im Bereich Werkstoffe für die weitere
wirtschaftliche Entwicklung in Deutschland
eine zentrale Rolle. Die TU Bergakademie
Freiberg hat in den vergangenen
Jahren ihre Materialforschung konsequent
ausgebaut. In einer Vielzahl von Großforschungsprojekten
suchen Freiberger Wissenschaftler
nach neuen Materialien unter
anderem für die Fahrzeugindustrie, den
Maschinenbau oder die Elektronikindustrie.
Zudem bildet die Freiberger Universität
die meisten Materialwissenschaftler
und Werkstoffingenieure in Sachsen aus.
„Das Besondere an der Fakultät für Werkstoffwissenschaft
und Werkstofftechnologie
der TU Bergakademie Freiberg ist ihr
breit gefächertes Ausbildungsangebot“,
sagt Prof. Horst Biermann, Dekan und
Professor für Werkstofftechnik. „Unsere
Studierenden können ein umfangreiches
Grundlagenwissen erwerben und sich
dann entsprechend ihrer Interessen spezialisieren.“
Die Verzahnung von Theorie
und Praxis – das Markenzeichen der
TU Bergakademie Freiberg – gelte auch
und ganz besonders für die werkstofforientierten
Studiengänge. „Wir kooperieren
beispielsweise mit ThyssenKrupp und Siemens“,
so Biermann. „Davon profitieren
vor allem unsere Studenten, die dort ihre
Praxissemester verbringen und Studienoder
Abschlussarbeiten schreiben.“
Innovative Studiengänge
An der Fakultät für Werkstoffwissenschaft
und Werkstofftechnologie werden
vier verschiedene Studiengänge angeboten.
Sie alle weisen Besonderheiten auf,
die sie von ähnlichen Fachrichtungen
an anderen deutschen Hochschulen unterscheiden.
So werden im Diplomstudiengang
„Werkstoffwissenschaft und
Werkstofftechnologie“ beide Disziplinen
verknüpft – eine Grundvoraussetzung für
einen erfolgreichen Werkstoffingenieur.
Die Werkstoffpalette reicht dabei von den
Metallen über die keramischen Werkstoffe
bis hin zu den Elektronikwerkstoffen und
Verbundwerkstoffen. Im Hauptstudium
stehen sechs Vertiefungsrichtungen zur
Wahl.
Der Ausbildung von Spezialisten widmen
sich die anderen drei werkstoffwissenschaftlichen
Studiengänge der TU Bergakademie.
Wer sich für „Werkstofftechnologie/Gießereitechnik“
entscheidet, hat
nach dem Abschluss beste berufliche Perspektiven.
Schon während des Studiums
unterstützen Gießereiunternehmen wie
Buderus Guss oder Silbitz Guss den Ingenieurnachwuchs
mit Stipendien, denn die
Nachfrage nach Gießerei-Spezialisten ist
dauerhaft hoch.
Trotz Wirtschaftskrise bleibt die Automobilindustrie
mit ihren Zulieferern
und Vertriebsstrukturen der wichtigste
Industriezweig in Deutschland. Der langfristigen
Bedarf an hochqualifizierten
Fachkräften trägt die TU Bergakademie
Freiberg mit dem Studiengang „Fahrzeugbau:
Werkstoffe und Komponenten“
Rechnung. Die Absolventen verfügen
über spezifische Kenntnisse auf dem

Magazin
71
Die Profilfarben der TU Bergakademie Freiberg
Gebiet der Entwicklung und des Einsatzes
von Werkstoffen und Fertigungstechnologien
für Fahrzeugkomponenten.
Sie haben fundiertes Wissen in Bezug auf
Berechnung, Konstruktion, Fertigung,
Werkstoffeinsatz, Qualitätsprüfung und
Recycling von Fahrzeugteilen. Die Ausbildung
wird durch einen wissenschaftlichen
Beirat unterstützt, in dem unter anderem
Audi, Porsche und Daimler vertreten sind.
Einen Schwerpunkt in der Ausbildung
an der TU Bergakademie Freiberg bilden
die Elektronikmaterialien. Wissenschaftler
unterschiedlicher Fachrichtungen und
Fakultäten arbeiten hier zusammen. Am
Institut für Elektronik- und Sensormaterialien
werden zielgerichtet Ingenieure
für die Forschung, Entwicklung, Fertigung
und Qualitätssicherung von Elektronischen
Bauelementen, Sensoren und
Aktoren ausgebildet. Die Absolventen des
Studiengangs „Elektronik- und Sensormaterialien“
finden ihre Einsatzgebiete in der
Halbleiterindustrie und in Unternehmen,
die z. B. Sensoren oder Spezialbauelemente
bzw. Schaltkreise herstellen.
Überdurchschnittliche Ausstattung
Ein Pluspunkt für Freiberger Studierende
ist die überdurchschnittlich gute technische
Ausstattung der Institute. Schon
früh im Studium lernen sie den Umgang
mit hochmodernen Geräten wie Elektronenmikroskopen,
Gießerei-Anlagen oder
Umform-Anlagen wie z.B. einem Walzwerk.
Seit 2008 steht ein neuer Reinraum-Komplex
zur Verfügung.
Ein Vorteil, den auch Andreas Jahn während
seines Studiums der Werkstoffwissenschaft
und Werkstofftechnologie an
der Fakultät kennen gelernt hat. Lange
Wartezeiten, wie sie an anderen Hochschulen
üblich sind, kennt man hier nicht.
„Der Studienwunsch Werkstoffe, speziell
Metallurgie, stand bei mir schon früh fest,
da mein Vater in der Stahlindustrie tätig
ist“, erzählt Andreas Jahn.
Auch die Entscheidung für die TU Bergakademie
Freiberg sei schnell gefallen.
„Freiberg hat Tradition und einen guten
Ruf – nicht nur fachlich, sondern auch,
was die Betreuung angeht.“ Dieser habe
sich auf jeden Fall bestätigt. „Dadurch,
dass alles sehr klein und übersichtlich ist,
geht es sehr familiär zu. Als Student wird
man schnell in die Abläufe integriert und
kann sich zum Beispiel als Studentische
Hilfskraft bei Forschungsprojekten einbringen.“
Das Praxissemester absolvierte
er bei ThyssenKrupp VDM, einem führenden
Hersteller metallischer Hochleistungswerkstoffe.
SFB für neue Hochleistungswerkstoffe
Hintergrund des SFB ist ein Problem,
dem Wissenschaftler auf der ganzen Welt
mit verschiedensten Ansätzen begegnen
wollen. Knappe Ressourcen und die Notwendigkeit
zur Senkung des Energiebedarfs
fordern auch die Werkstoffforschung
heraus, deutlich leistungsfähigere und
dennoch material- und energieeffizientere
Werkstoffe und Herstellungsverfahren
zu finden. Die gezielte Kombination
verschiedener Materialien zu neuen Verbundwerkstoffen
und die Übertragung in
der Natur vorkommender Bauprinzipien
auf technologische Lösungen (Bionik)
eröffnen dabei völlig neue Perspektiven.
Young Researcher
Dipl.-Ing. Malchasi Aitsuradse forscht mit Hilfe
neuer innovativer Giesstechnologien an Leichtbaukomponenten
für den Fahrzeugbau
Seit knapp zwei Jahren ist der 27-Jährige
Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut
für Eisen- und Stahltechnologie der
TU Bergakademie Freiberg. „In meiner
Promotionsarbeit beschäftige ich mich
mit Stählen, gleichzeitig hohe Festigkeiten
und hohe Dehnungen erreichen.
Normalerweise kann man nur die Dehnung
oder die Festigkeit erhöhen, aber
nie beides gleichzeitig“. Seine Arbeit ist
Teil eines Sonderforschungsbereiches
(SFB) der Deutschen Forschungsgemeinschaft
(DFG), der 2008 an der TU Bergakademie
Freiberg eingerichtet wurde.
Wie man Roboter zum Laufen und Fußballspielen
bringt, demonstriert Nachwuchswissenschaftler
Heni Amor vom Insitut für Informatik
Schülern zum Tag der offenen Tür
Die Vision des SFB an der TU Bergakademie
Freiberg ist daher die Erforschung
einer neuen Klasse von Hochleistungs-
Verbundwerkstoffen mit dem Namen
TRIP-MATRIX-COMPOSITE. Stahl
wird mit einem Keramikwerkstoff verbunden,
so dass daraus neue Materialien
mit sehr hoher Festigkeit, Verformbarkeit
und Zähigkeit entstehen.

72
Magazin
Die Erforschung neuartiger Werkstoffe,
Strukturen und Verfahren sowie ein an
die Bionik angelehntes intelligentes Design
ermöglichen höchstbeanspruchbare
Komponenten mit bahnbrechenden Eigenschaften
für die Sicherheit der Insassen
von Kraft-, Schienen- und Luftfahrzeugen.
Darüber hinaus werden zukunftsträchtige
Anwendungsfelder im Maschinenbau am
Beispiel von höchst belasteten Verschleißund
Trägerkomponenten erschlossen.
Prof. Daviv Rafaja vom Insitut für Werkstoffwissenschaft erforscht
neue Verfahren zur Herstellung moderner Werkstoffe, die
unter anderem in Sensoren zum Einsatz kommen
Die effizienten und kostengünstigen Herstellungstechnologien
werden in der Lage
sein, den Fertigungsaufwand zu minimieren
und industrielle Entwicklungszeiten
neuer Produkte erheblich zu beschleunigen.
Durch die neuen TRIP-MATRIX-
COMPOSITE wird es allein im PKW
ermöglicht, bei gleichem Bauraum die
dreifache Energieaufnahme kostengünstiger
und leichter zu realisieren. Das Ziel
einer höheren Materialeffizienz sowie der
Reduktion des Kraftstoffaufwandes und
der CO2-Emissionen rückt damit in greifbare
Nähe.
Wissenschaftlicher Nachwuchs
Um den wissenschaftlichen Nachwuchs
zu fördern verfolgt die TU Bergakademie
Freiberg im Rahmen des SFB erfolgreich
ein Konzept, das ein durchgängiges Angebot
von der Schule bis zum
Post Doc beinhaltet. „Science
meets School - Werkstoffe
und Technologien in Freiberg“
heißt eine Initiative,
bei der Schüler ab Klasse 8,
Lehrer und Wissenschaftler
in einem eigens dafür geschaffenen
Schülerlabor gemeinsam
Werkstoffe untersuchen.
In wissenschaftlichen
Experimenten erhalten die
Schüler einen Einblick in die
Welt der Materialforschung.
Lehrer nutzen die Angebote
der Universität für Fortbildungen
und holen sich neue
Ideen für den Unterricht.
Im Studium sollen die Studierenden
frühzeitig selbständiges
Arbeiten und Forschen lernen.
Als studentische Hilfskraft können sie
mit intensiver Unterstützung durch das
wissenschaftliche Personal ihren eigenen
Beitrag zu wichtigen Forschungsprojekten
leisten. Für Doktoranden wurde am Sonderforschungsbereich
ein eigenes Graduiertenkolleg
eingerichtet, das unter dem
Dach der Graduierten- und Forschungsakademie
der TU Bergakademie Freiberg
sehr gute Voraussetzung für eine zügige
und qualitativ hochwertige Promotion
bietet.
Ein besonderes Ziel des SFB ist es, qualifizierte
Frauen zu motivieren, in Freiberg
zu studieren, zu promovieren und sich
als Wissenschaftler einzubringen. An den
am SFB beteiligten Instituten und Lehrstühlen
der TU Bergakademie Freiberg
ist bereits heute ein für ingenieurwissenschaftliche
Fachbereiche weit überdurchschnittlicher
Anteil von Wissenschaftlerinnen
beschäftigt.
Die Bergakademie Freiberg wurde 1765
gegründet und gehört zu den ältesten
montanwissenschaftlichen Hochschulen
der Welt. Aus dieser Tradition entwickelte
sich ihr heutiges einmaliges Profil,
das neben der Materialwissenschaft und
Werkstofftechnik die Gebiete Geowissenschaften,
Energie, und Umwelt umfasst.
Die TU Bergakademie Freiberg ist bekannt
für ihre praxisnahe Ausbildung und
ihre Spitzenforschung.
Die Universitätsstadt Freiberg – auf
halber Strecke zwischen den sächsischen
Metropolen Dresden und Chemnitz gelegen
– bietet ein ganz besonderes Flair.
Einst brachte ihr der Silberbergbau Ansehen
und Reichtum. Heute ist sie vor
allem als Hightechstandort für die Mikroelektronik
und regenerative Energien bekannt.
Diese Mischung aus Tradition und
Moderne und ihre landschaftlich reizvolle
Lage am Erzgebirge machen sie attraktiv.
Die Studierenden schätzen die guten und
bezahlbaren Wohnbedingungen, niedrigere
Lebenshaltungskosten sowie ein
reichhaltigen Kultur- und Freizeitangebot.
Auf der Hannovermesse zeigte das Institut für Eisen- und Stahltechnologie eine neue Stahllegierung.
Entwickelt wurde sie von Dr. Andreas Weiß (r.) und Dr. Heiner Gutte (l.). Hier am Rasterelektronenmikroskop
(Quelle Bilder: Technische Universität Bergakademie Freiberg)
TU Bergakademie Freiberg
Fakultät für Werkstoffwissenschaft
und Werkstofftechnologie
Gustav-Zeuner-Str. 5
09599 Freiberg
Internet: http://tu-freiberg.de

Magazin
Literaturtipp
Ohne Mathematik geht es nicht im Sport
73
Der Startschuss dieses Buches fällt mit
der Suche nach Funktionen für Punktetabellen,
die für einen fairen Ausgleich
der unterschiedlichen Leistungen in den
Disziplinen des leichtathletischen Zehnkampfes
sorgen. Leicht nachvollziehbar
wird dargestellt, wie sich mit zunehmender
Komplexität der verwendeten
Funktionen die Gerechtigkeit der daraus
resultierenden Punktetabellen erhöht.
Leider findet sich kein Hinweis, warum
ausgerechnet im letzten Schritt beim
Übergang zu Potenzfunktionen, auf denen
die heute gültigen Tabellen beruhen,
eine weitere Verbesserung erreicht wird.
Die beiden nächsten Kapitel widmen
sich dem Fußball, genauer der Trefferwahrscheinlichkeit
beim Elfmeter. Mit
unterschiedlichen Ansätzen aus verschiedenen
Bereichen der Mathematik wird
aufgezeigt, dass die errechneten Trefferwahrscheinlichkeiten
stets ziemlich genau
die Realität der letzten 20 Jahre in der
1. Bundesliga widerspiegeln. Es stellt sich
jedoch die Frage, ob hier nicht nur Ansätze
weiter verfolgt wurden, die das bekannte
und erwünschte Resultat ergeben.
Köstlich und bewußt politisch unkorrekt
sind an dieser Stelle Ludwigs abschließende
Betrachtungen zum Frauenfußball.
In weiteren zwei Abschnitten steht die
Leichtathletik im Fokus. Zunächst wird
versucht, die Weltrekorde im 100-m-
Lauf seit den 30er-Jahren, getrennt nach
Frauen und Männern, zu interpolieren.
In humoristischer Weise führt der Autor
vor, wie sich mit Mathematik (fast) alles
beweisen oder berechnen lässt, z.B. durch
Gleichsetzen der Funktionen der Zeitpunkt,
ab dem Frauen schneller laufen
werden als Männer, oder das Jahr, in dem
der Mensch unendlich schnell sein wird
(weil alle Funktionen gegen Null streben)
- insgesamt ein Beispiel, dass sich auch
sehr gut im Unterricht (bei linearen bzw.
Exponentialfunktionen) verwenden lässt.
Dachte ich an dieser Stelle, „schlimmer
geht‘s nimmer“, sah ich mich sofort im
nächsten Kapitel über den Freiwurf im
Basketball positiv enttäuscht: Ludwig
führt uns gekonnt durch eine Problemstellung,
die einer Abituraufgabe für einen
Leistungskurs Physik locker zur Ehre
gereicht hätte. Dafür ist der folgende Abschnitt,
in dem eine Faustformel für die
Länge der Bespannung eines Tennis- oder
Badmintonschlägers abgeleitet wird, auch
wieder für Schüler gut verdaubar.
Alles in allem: Als kleine Bettlektüre oder
zur Entspannung im Urlaub hervorragend
geeignet, ich habe es mit Wonne geradezu
verschlungen! Gekonnt und stets
mit einem Augenzwinkern liefert Ludwig
ein Beispiel nach dem anderen, wofür
man Mathematik eigentlich braucht.
Abstriche muss man allerdings bei der
Verwendbarkeit für Lehrer machen. Ein
Großteil des Buches liegt jenseits dessen,
was gemeinhin in der Schule unterrichtet
wird, und gerade die Lehrpläne für
Matthias Ludwig
Mathematik und Sport -
Olympische Disziplinen im
mathematischen Blick
Wiesbaden: Vieweg + Teubner,
2008. 165 Seiten, 22,90 Euro,
ISBN: 978-3-8348-0477-8
Mathematik bieten zeitlich kaum Spielraum
für „Orchideen“-Themen, wie sie
hier teilweise vorgestellt werden. Dies
verwundert umso mehr, als der Autor,
Professor für Mathematik und ihre Didaktik
an der PH Weingarten, die entsprechenden
Pädagogen aller Schularten
und -stufen doch als seine primäre Zielgruppe
bezeichnet.
Rezensent: Martin Buchholz
Literaturtipp
Das Universum mit anderen Augen sehen
Anlässlich des Internationalen Jahr der
Astronomie 2009 sind zahlreiche Bücher
neu erschienen. Das Buch „Verborgenes
Universum erklärt allgemein verständlich
die Bilder, die mit modernen Teleskopen
aufgenommen werden.
Die Astronomie lebt von Bildern. Jeder
hat schon mal das verwirrend bunte Bild
einer weitentfernten Sternengalaxie gesehen.
Doch wie entstehen diese Bilder
Was bedeuten die Farben Und was können
Astronomen aus diesen Bildern über
das Universum lernen
Bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts konnten
Astronomen nur das sichtbare Licht
nutzen. Mit der Entwicklung der Radioastronomie
änderte sich dies: Die
Astronomen erforschen das Universum
seitdem mit immer neuen „Augen“. Heute
stehen Teleskope auf der Erde und im
Weltraum zur Verfügung. Sie sammeln
„Licht“ aus dem gesamten Spektrum: von
den niederenergetischen Radiowellen bis
zu den energiereichen Gammastrahlen.
Dabei entstehen faszinierende und spektakuläre
Bilder, die das uns bisher verborgene
Universum sichtbar machen.
Viele dieser Bilder werden mit diesem
Buch erstmals der nichtwissenschaftlichen
Öffentlichkeit präsentiert und erklärt.
Es wendet sich an den physikalisch

Magazin
74
Junge Wissenschaft 84 // 2009
und astronomisch interessierten Laien:
Grundlegende Begriffe werden in den
ersten Kapiteln ausführlich erklärt. Zum
Nachschlagen von Fachbegriffen eignet
sich das Glossar am Ende. Im Hauptteil
des Buches ist jedem Bereich des elektromagnetischen
Spektrums ein eigenes
Kapitel gewidmet. So kann der Leser gut
nachvollziehen, welche Methode für welche
astronomische Fragestellung geeignet
ist. Am Beispiel der Galaxie Centaurus A
werden abschließend die Informationen
vieler Teleskope wie ein Puzzle zusammen
gesetzt und eine umfassende Beschreibung
dieser Galaxie gegeben.
Erfreulicherweise ist dies viel mehr als
ein kommentiertes Bilderbuch. Es wird
großer Wert darauf gelegt, dem Leser
die Bilder zu erklären, wie sie entstanden
sind und was darauf zu sehen ist. Der
Leser kann begreifen und nicht nur unwissend
staunen. Die Bildunterschriften
sind durchgängig sehr ausführlich und
vertiefend. Gut ausgewählte Zitate in
übergroßen Kopfzeilen animieren schon
beim ersten Durchblättern, auch längere,
erklärende Textpassagen zu lesen. Gelegentlich
stören dabei wertende Ausdrücke
wie „atemberaubend“ oder „kommunikationssüchtig“.
Das Buch ist das gelungene Ergebnis der
Zusammenarbeit zweier aktiver Forscher
der European Space Agency (ESA) und
der NASA und eines mehrfachen Autors
populärwissenschaftlicher Sachbücher
aus dem Bereich der Astronomie, Lars
Lindberg Christensen. Dessen große Erfahrung
wird immer dann sichtbar, wenn
es um die Erklärung komplexer Sachverhalte
geht. Wer sich auf dieses Buch
einlässt, kann für sich die verborgenen
Inhalte der faszinierenden Bilder aus der
Astronomie erkunden.
Rezensent: Sabine Walter
Lars Lindberg Christensen, Robert
Fosbury und Robert Hurt
Verborgenes Universum
Wiley-VCH Verlag, 1. Auflage
2009, 145 Seiten
Ihr Urteil ist gefragt!
Rezensieren Sie ein Buch Ihrer Wahl und behalten Sie es.
Liebe Leser,
wir laden Sie ein: Werden Sie Rezensent und teilen Sie uns Ihre Eindrücke zu Inhalt, Lesbarkeit und Relevanz zu
einem Buch aus unserer Besprechungsliste mit. Wir freuen uns, wenn wir Buchrezensionen von Lesern für Leser
veröffentlichen können und drucken Ihren Artikel in einer unserer nächsten Ausgaben. Interesse
Schicken Sie eine E-Mail an die Chefredaktion der Jungen Wissenschaft (s.walter@verlag-jungewissenschaft.de)
mit der Angabe des Buches, das Sie gern lesen und kommentieren möchten. Als Dank für Ihre Mühe dürfen Sie das
Buch selbstverständlich behalten.
Folgende Bücher stehen diesmal zur Auswahl:
1. Unser Fenster zum Weltraum (132 S.)
2. Physik auf der Spur (306 S.)
3. Kaffee, Käse, Karies (384 S.)
4. In Mathe war ich immer schlecht (184 S.)
5. Sieben Wunder der Informatik (360 S.)
6. Antarktis- Forschung im ewigen Eis (350 S.)
7. Bilder der Mathematik (324 S.)
8. Der Kuss des Schnabeltiers und 60 weitere witzige
Geschichten aus der Natur und Wissenschaft (278 S.)
9. Alles über Strom – So funktioniert Alltagselektronik (250 S.)
10. Welt der Bakterien (274 S.)