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Fünf Forschungsprojekte im #innovationsland Deutschland

Innovative Projekte aus Wissenschaft und Forschung

Fünf Forschungsprojekte im #innovationsland Deutschland

Warum ist Deutschland Innovationsland? Weil hier zukunftsweisende Erfindungen, Forschungsideen und Schlüsseltechnologien von klugen Köpfen in Start-ups, Universitäten und Forschungseinrichtungen erdacht werden – etwa in der Landwirtschaft, Bioökonomie, Biotechnologie, Medizin- oder Quantentechnik. Fünf ganz unterschiedliche Beispiele innovativer Forschungsprojekte in Deutschland, die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert werden:

1. Bauer sucht Drohne: Neue Technologien für eine nachhaltigere Landwirtschaft

Wie kann eine nachhaltige Landwirtschaft zukünftig aussehen? Welche Maßnahmen sind notwendig, um unsere Kulturpflanzen vor Hitze, Trockenheit und Krankheitserregern zu schützen und dennoch große Pestizidmengen sowie eine hohe Nitratbelastung in Böden zu vermeiden? Diesen Fragen gehen Forschende des Exzellenzclusters „PhenoRob – Robotik und Phänotypisierung für Nachhaltige Nutzpflanzenproduktion“ von der  Universität Bonn  und des Forschungszentrums Jülich nach. Mithilfe neuer Methoden und Technologien können Pflanzen beobachtet, analysiert, besser verstanden und gezielt behandelt werden.

Durch eine automatisierte Unkrautkontrolle sowie selektives Düngen einzelner Pflanzen lässt sich die Menge der eingesetzten Chemikalien stark reduzieren. Mithilfe von Sensoren, Drohnen und Bodenrobotern überwachen Forschende systematisch alle wesentlichen Aspekte der Pflanzenproduktion. Dabei erhalten sie große Datenmengen über Pflanzen, Pflanzenbestände, Boden und Umwelt. Und diese ermöglichen ein gezielteres Management der „Inputs“ – also genetischer Ressourcen, Pflanzenschutz oder Düngung – zur Optimierung der „Outputs“ wie Erträge, Pflanzenwachstum und Umweltbelastungen.

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2. Der nachgebaute Mensch: Multi-Organchips zur Testung von Medikamenten

Es ist nicht nur eine gute Nachricht für Laborratten und -mäuse: Das Berliner Start-up TissUse hat einen einzigartigen, patentgeschützten Biochip entwickelt, auf dem sich das Organsystem des Menschen nachbauen lässt. Mit diesem können Substanzen schon vor dem Einsatz am Menschen getestet und verbraucherrelevante Reaktionen vorhergesagt werden. Ob Leber, Darm, Haut oder Niere: Die Forscherinnen und Forscher können auf dem Chip inzwischen bis zu vier Organmodelle miteinander kombinieren. Diese sind durch einen künstlichen Blutkreislauf miteinander verbunden – angetrieben von einer Mikropumpe, die hier die Aufgabe des Herzens übernimmt. Ziel des Forschungsteams ist es, zukünftig einen Chip mit mehr als zehn Mini-Organen zu entwickeln – ein hervorragendes Modell für die menschliche Physiologie.

Mithilfe dieser sogenannten Multi-Organ-Chips kann die Pharma- und Kosmetikindustrie toxikologische Untersuchungen von Medikamenten, Kosmetika und Chemikalien mit hoher Aussagekraft durchführen. Dank der neuen „Human-on-a-Chip-Systeme“ sollen Tierversuche künftig um bis zu 80 Prozent reduziert und klinische Studien deutlich beschleunigt werden.

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3. Mehr Datensicherheit: Quantencomputing als Schlüsseltechnologie der Zukunft

Die Forschungsinitiative QuNET ist eine Reaktion auf die Tatsache, dass Cyberangriffe und Datenlecks zunehmen. Neben der Wirtschaft sind hiervon auch Bürgerinnen und Bürger sowie öffentliche Einrichtungen und Bundesbehörden betroffen. Hinzu kommt, dass neueste technologische Fortschritte wie in der Entwicklung von Quantencomputern neue Wege im Schutz der Datenübertragung erforderlich machen. Auch neue Algorithmen oder künftige Hochleistungsrechner könnten in der Lage sein, solche wichtigen kryptografische Verfahren zu entschlüsseln, die heute zum Beispiel beim Online-Banking oder beim Abrufen von E-Mails verwendet werden. Damit ist der sichere Datenverkehr gefährdet.

Dieser Gefahr begegnet die Quantenkommunikation, die als Schlüsseltechnologie der digitalen Gesellschaft der Zukunft gehandelt wird: Sie ermöglicht eine messbar abhörsichere Datenübertragung, die auf fundamentalen physikalischen Prinzipien beruht. Vertrauliche Daten lassen sich auf diese Weise besser absichern, als dies mit heutigen Verfahren möglich ist. Im Rahmen von QuNET demonstrieren Forschende der Fraunhofer, sowie der Max-Planck-Gesellschaft und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in einer ersten Phase des wegweisenden Projekts gemeinsam eine quantensichere Videoverbindung zwischen Deutschen Bundesbehörden.

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4. Ein Labor auf einem Chip: Medizintechnische Innovationen gegen Corona

Zur Eindämmung der aktuellen SARS-CoV-2-Pandemie ist eine schnelle und zuverlässige Erkennung akuter Infektionen von zentraler Bedeutung. Ein Standardverfahren hierzu ist virales Erbmaterial nach Vervielfältigung in einer sogenannten Polymerase-Kettenreaktion (PCR, polymerase chain reaction) nachzuweisen. Die Proben werden bisher meist in spezialisierten Laboren analysiert, was hohe Testkapazitäten ermöglicht, aber auch einen erheblichen zeitlichen und logistischen Aufwand mit sich bringt. Hier kommt der automatisierte Vor-Ort-Test der Firma Bosch ins Spiel: Das Erbgut des Corona-Virus SARS-CoV-2 wird bei diesem in einem miniaturisierten Labor nachgewiesen. Dies erfolgt in einem System, das aus einem Analyse-Gerät und einer Test-Kartusche (Lab-on-a -Chip) besteht, in der das Erbgut mit der PCR-Methode vervielfältigt wird. Die auf den Nachweis von SARS-CoV-2 spezialisierte Testplattform „Vivalytic-Light“ soll durch neue Elektronik- und Signalverarbeitungskonzepte zuverlässige Tests beispielsweise in Arztpraxen, Apotheken oder Pflegeheimen ermöglichen, die von Labors unabhängig sind. Die Testdauer beträgt dabei nur circa 30 Minuten, angestrebt wird eine noch kürzere Zeit.

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5. Expedition Erdreich: Mit Teebeuteln der Bodenqualität auf den Grund gehen

Gesunde Böden sind vielfältig, wertvoll und unverzichtbar. Sie sind Lebensraum für Pflanzen und Tiere, sichern unsere Nahrungsmittelproduktion, filtern Schadstoffe aus unserem Trinkwasser und spielen eine große Rolle für den Erhalt der Artenvielfalt und für das Klima. Um den Zustand unserer Böden bewerten und sie in Zukunft nachhaltiger nutzen zu können, werden zahlreiche Daten aus ganz Deutschland benötigt.

Hier setzt das Projekt Expedition Erdreich an: Bei der Citizen-Science Aktion erkunden Bürgerinnen und Bürger mit verschiedenen Methoden den Boden, um wissenschaftliche Daten zum Bodenzustand zu sammeln. Das Herzstück der Aktion ist die sogenannte Tea-Bag-Index-Methode: ein einfaches, wissenschaftlich anerkanntes Verfahren, mit dem sich bestimmen lässt, wie schnell Bodenorganismen Pflanzenreste abbauen und in Humus umwandeln (Zersetzungsrate). Dazu wird pflanzliches Material, hier Grün- und Rooibos-Tee, gewogen, drei Monate lang im Boden vergraben, dort von den Bodenorganismen zersetzt und nach dem Ausgraben erneut gewogen. Aus der Differenz des Gewichts lässt sich der Tea-Bag-Index (TBI) berechnen.

Die Teilnehmenden laden ihre erhobenen Daten einfach auf der Projekt-Website hoch und unterstützen so die Wissenschaft.

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