ERC Starting Grants: Neuer Rekord für die ETH Zürich

Winzige Fähren sollen dereinst von aussen gesteuert durch die Blutbahnen des menschlichen Körpers navigieren und Medikamente präzis an schwer zu erreichende Stellen transportieren, um damit Krankheiten wie zum Beispiel Krebs zu heilen. Mikrofähren existieren zwar bereits, sie sind aus mehreren Gründen allerdings nicht bereit für den Einsatz im Körper von Menschen oder Tieren. Daniel Ahmed ist ein Spezialist für Mikro- und Nanorobotik. In seinem ERC-Projekt plant er, die bestehenden Grenzen zu überwinden, und kleine Roboter zu entwickeln, die sich sowohl mit Ultraschall als auch Magnetfeldern antreiben lassen und die sich für den Einsatz in Tiermodellen eignen.

Ueli Angst ist ein auf Korrosion spezialisierter Bauingenieur. Sein ERC-Projekt befasst sich mit elektrochemischen Verfahren zum Schutz von stahlbasierter Infrastruktur vor Korrosionsschäden. Dazu werden Angst und sein Team Methoden aus der Korrosionswissenschaft und den Umweltwissenschaften mit der Modellierung von Transportprozessen in porösen Materialien kombinieren. Die Korrosion von Infrastruktur wie Brücken und Pipelines verursacht der Gesellschaft erhebliche Schäden. Allein in der EU belaufen sich die geschätzten Kosten korrodierter Infrastruktur auf jährlich 250 Milliarden Euro, Tendenz steigend.

Kristy Deiner ist Ökologin und Naturschutzwissenschaftlerin. Sie erforscht die Ursachen und Folgen der schwindenden biologischen Vielfalt von Tier- und Pflanzenarten im Süsswasser und an Land. Ihren ERC-Grant widmet Deiner der Überwachung der Biodiversität mittels neuartiger genetischer Methoden, die den Nachweis von Arten anhand von DNA-Spuren in der Umwelt ermöglichen. Das weltweite Artensterben gefährdet Ökosystemleistungen wie Nahrung oder Medikamente. Die Analyse von Tier- und Pflanzen-DNA in der Umwelt gibt auf effiziente Weise Aufschluss über das Vorkommen von Arten und ermöglicht so bessere Entscheidungen im Naturschutz.

Daniela Domeisen erforscht, wie Prozesse im Klimasystem miteinander gekoppelt sind und wie sich solche Wechselwirkungen für langfristige Wettervorhersagen nutzen lassen. In ihrem ERC-Projekt untersucht sie die Treiber und Vorhersagbarkeit von Hitzewellen. Diese dürften mit dem Klimawandel stärker und häufiger werden. Heutige Modelle können jedoch nicht mehrere Wochen im Voraus vorhersagen, wann Hitzewellen auftreten. Denn die Wissenschaft versteht noch nicht vollständig, welche Faktoren diese Extremereignisse antreiben, also beispielsweise wie die Land- und Ozeanoberfläche mit der Atmosphäre wechselwirken. Durch ein verbessertes Verständnis von Hitzewellen in einer Modellhierarchie will Domeisen deren Vorhersagbarkeit stark verbessern.

Mohsen Ghaffari arbeitet an den theoretischen Grundlagen der verteilten und parallelen Berechnung. Er entwickelt er Algorithmen für Systeme, in denen mehrere Computer interagieren, um das Problem zu lösen. In seinem ERC-Projekt plant er, einige sehr zentrale Probleme von verteilten Graphen-Algorithmen anzugehen. Zum Beispiel die seit Jahrzehnten offene Frage, ob diese Algorithmen Zufälligkeit benötigen, um effizient zu sein. Weiter verfolgt das Projekt das Ziel, effiziente, massiv parallele Algorithmen zu entwickeln, die es einer Gruppe von Computern ermöglichen sollen, zusammen grosse Probleme effizient zu lösen.

Marco Hutter ist Professor am Institut für Robotik und Intelligente Systeme. Er hat sich spezialisiert auf die Entwicklung von vierbeinigen Laufrobotern, die sich autonom fortbewegen können. In seinem ERC-Projekt plant er, mithilfe neuer Methoden des maschinellen Lernens die Mobilität dieser Roboter zu verbessern und sie fit zu machen für die autonome Fortbewegung in sehr schwierigem Terrain. In Zukunft könnten solche Roboter für den Menschen unangenehme oder gefährliche Aufgaben wahrnehmen, zum Beispiel in Katastrophengebieten, Abwasserkanälen, Mienen oder auf Offshore-Plattformen.

Um die Weltbevölkerung zu ernähren, benötigt der Ackerbau weltweit grosse Mengen an Stickstoffdünger (Ammoniak). Dieser wird heute grösstenteils nach dem bekannten Haber-Bosch-Verfahren industriell hergestellt, was sehr viel CO₂ freisetzt: Ein Prozent der weltweiten CO₂-Emissionen geht alleine auf dieses Verfahren zurück. Der Elektrochemiker Victor Mougel, Professor für anorganische Chemie, plant, eine alternative, energieeffizientere und CO₂-neutrale Methode zur Herstellung von Ammoniak zu entwickeln. Im Zentrum davon wird eine neue Klasse von Elektrokatalysatoren stehen, welche Mougel nach dem Funktionsprinzip eines in der Natur existierenden Enzyms (Nitrogenase) entwickeln möchte.

Randall Platt, Professor am Departement für Biosysteme der ETH Zürich in Basel, entwickelt neuartige molekulare Werkzeuge mit dem Ziel, gesunde und kranke Zellen besser untersuchen und kontrollieren zu können. Jüngst schuf er einen biologischen «Datenlogger», der in Zellen die Aktivität von Genen aufzeichnet. Darauf aufbauend möchte Platt in seinem ERC-Projekt eine Art Wächterzelle entwickeln, welche in den Darm gebracht und dort die biochemischen Vorgänge überwachen und aufzeichnen kann. Solche Wächterzellen könnten dereinst in der medizinischen Diagnostik Anwendung finden als lebende Sensoren.

Sebastian Schemm erforscht – an der Schnittstelle zwischen Wetter und Klima – Beziehungen zwischen Wolkenphysik und Zirkulation in der Atmosphäre. Er will die grundlegende Physik verstehen, die für die nahezu chaotische Variabilität in der Atmosphäre sorgt. Weiter möchte er herausfinden, welche Rolle Wolken, Konvektion, Strahlung und Turbulenz bei der Entstehung ungewöhnlicher Zustände der Atmosphäre spielen. Das langfristige Ziel ist ein besseres Verständnis dafür, wie seltene Wetterlagen, extreme Jahreszeiten und Schwankungen im Jahreszyklus entstehen. Darüber hinaus will Sebastian Schemm eine neue physikalische Grundlage für deren Darstellung in Wetter und Klimamodellen schaffen.

Hartes Wasser – also solches, das viel Kalk oder andere Mineralien enthält – führt in Heizkesseln oder Warmwasserleitungen zu Ablagerungen. Dieser sogenannte Kesselstein reduziert die Energieeffizienz von Industrieanwendungen und kann Filtermembranen verstopfen. Thomas Schutzius ist ein Experte für Nanoengineering und Oberflächen. Er wird in seinem ERC-Projekt im Detail untersuchen, wie Kesselstein entsteht. Ausserdem plant er Oberflächen zu entwickeln, welche durch ein intelligentes Zusammenspiel von Material und Struktur verhindern, dass sich Kalk oder andere Mineralien ablagern.

Im Bereich der Chemieingenieurwissenschaften untersucht Chih-Jen Shih die Morphologie, Dynamik, Molekularkräfte und Transportphänomene von Nanomaterial-Grenzflächen. Sein ERC-Projekt verfolgt das Ziel, die Bewegung und Orientierung von Exzitonen – das sind elektrisch neutrale Quasiteilchen – in Nanomaterial-Anordnungen zu steuern. Sein Ansatz umfasst chemische Verfahren zur Entwicklung von Nanomaterial-Oberflächen, mit denen man letzten Endes die Wechselwirkungen der Exzitonen lenken könnte. Wenn diese Idee gelingt, könnte der Wirkungsgrad der Umwandlung von Strom in Licht in modernen Displays und Leuchtdioden verdoppelt werden, was den Energieverbrauch in der mobilen Elektronik deutlich reduziert.

Veerle Sterken wird in ihrem ERC-Projekt unsere unmittelbare interstellare Nachbarschaft erforschen. Dazu wird sie die Bahnen von Staubpartikeln untersuchen, die sich durch das Sonnensystem bewegen. In ihrer Arbeit wird sie Computersimulationen mit Satellitenmessungen kombiniert. Dadurch kann sie die Eigenschaften von Staubpartikeln in der lokalen interstellaren Wolke eingrenzen und die dynamische Struktur der sogenannten Heliosphäre untersuchen. Anhand der Ergebnisse wird sie auch erforschen, wie andere Sterne mit ihrer Umgebung interagieren, und wie sich unser Sonnensystems im Laufe der Zeit auf seiner Reise durch unsere Galaxie entwickelt hat.

Vincent Tassion untersucht mathematische Modelle der statistischen Mechanik. Diese Modelle beschreiben Mechanismen, die in der Physik zu Phasenübergängen führen. Ein Beispiel solcher Modelle sind Perkolationsprozesse, die das Hauptthema seines ERC-Projekts sind. Die Perkolationstheorie untersucht, wie unabhängige Zufallseingaben, die gleichmässig auf einem Gitter oder im Raum verteilt sind, zu makroskopischen Strukturen führen - ein Beispiel ist die Ausbreitung von Epidemien oder Waldbränden. Eine Reihe grundlegender Ergebnisse hat das Verständnis von Perkolation verbessert, gewisse Grundsatzfragen bleiben jedoch unbeantwortet. Tassion will einige beantworten, indem er neue Verbindungen zwischen der Perkolationstheorie und anderen Bereichen der Mathematik oder der theoretischen Informatik herstellt.

Laurent Vanbever befasst sich mit Computer-Netzwerken wie dem Internet oder grossen Datenzentren. Ein Schwerpunkt ist dabei, wie solche Netzwerke betrieben werden. Mit seiner Gruppe entwickelt Vanbever Systeme, die grosse Netzwerke steuern und deren Verfügbarkeit und Leistungsfähigkeit optimal gewährleisten. In seinem ERC-Projekt will Vanbever Steuerungen für Netzwerkgeräte anhand übergeordneter Anforderungen automatisch und nachweislich korrekt generieren. Durch die Automatisierung entscheidender Aspekte der Steuerung könnten Netzwerke künftig nicht nur zuverlässiger, sondern auch flexibler und leistungsfähiger betrieben werden.

Phasenwechselspeicher bieten eine interessante Alternative zu herkömmlichen siliziumbasierten Geräten. Maksym Yarema wird in seinem ERC-Projekt nanoskalige Phasenwechsel­materialien und Speichergeräte untersuchen, die mit günstigen, materialeffizienten und flüssigkeitsbasierten Verfahren hergestellt werden. Auf der Materialseite wird er sich auf kolloidalen Nanopartikeln und molekularen Tinten konzentrieren, mit denen er die Grösse der Phasenwechselmaterialien bis auf die molekulare Ebene kontrollieren kann. Kolloidale Nanomaterialien sind ideal, um Phasenübergänge und Hochtemperatur-Strukturdynamiken zu untersuchen. Auf der Geräteseite eignen sich diese Nanomaterialien, um neuartige Speicher energieeffizient herzustellen und zu betreiben.