Gesundheit: Chemische Forschung: Ordnung im Chaos

Ordnung in chaotische Abläufe zu bringen ist ein Ziel, das wir alle gelegentlich im Alltag anstreben - mehr oder weniger erfolgreich. Berliner Wissenschaftlern vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft ist das jetzt auf physikalisch-chemischem Gebiet so weit gelungen, dass sie ihre Ergebnisse in der Wissenschaftszeitschrift "Science" veröffentlichen konnten. Es gelang ihnen, die Reaktion von Sauerstoff und Kohlenmonoxid unter Kontrolle zu bringen und gezielt zu steuern. Mit dieser Methode könnten Reaktionen in eine Richtung gelenkt werden, so dass mehr von einem gewünschten Produkt entstehe, berichtete Teamleiter Gerhard Ertl gestern.

Dies könnte große Bedeutung für die Entwicklung von Autokatalysatoren, die Bio- und die Klimatechnik bekommen. Das Verfahren mit dem Namen "Kontrolltheorie" wurde mit Rückkopplung verfeinert. Was so kompliziert klingt wie Kontrolltheorie, lässt sich an einem einfachen Beispiel illustrieren. Nehmen wir die Regelung einer Zentralheizung: Sie soll die Räume auf eine bestimmte Temperatur erwärmen, aber wenig Energie verbrauchen. Thermostate im Inneren des Hauses messen den aktuellen, die äußeren ermitteln den künftigen Bedarf. Denn wenn die Temperaturen steigen, braucht man nicht mehr so stark zu heizen.

In diesem Fall hat die Steuerung sehr viel Zeit, das System auf geänderte Einflüsse einzustellen. Anders sieht das schon für einen Schützen aus, der eine Tontaube "erlegen" will. Er muss Flugrichtung und -zeit von Ziel und Geschoss aufeinander abstimmen, die Abdrift durch Wind und Rückstoß berücksichtigen. Hier gibt es mehr Einflussgrößen, die erfasst und berechnet werden müssen, um so auf das System einzuwirken, dass das Ziel erreicht wird.

Wenn aber in kürzester Zeit ein absolutes Chaos abläuft - etwa beim Verbrennungstakt in einem Automotor? Jetzt kommt die von den Berliner Forschern angewandte Methode der "globalen, verzögerten Rückkopplung" ins Spiel. Unter einer Rückkopplung versteht man die Einwirkung eines Ablauf-Ergebnisses auf die Funktion des Systems. Zum Beispiel dann, wenn wir ein Mikrofon an einen Lautsprecher halten und beides mit einem Verstärker verbunden ist. Das Mikrofon empfängt leichte Störgeräusche aus dem Lautsprecher, steuert damit den Verstärker an, der den Lautsprecher füttert - das System schwingt sich zu einem katastrophalen Jaulen auf. Oft ist es sinnvoll, solche Prozesse zu verhindern. Zu diesem Zweck muss das Signal, das auf das System rückwirkt, ein gezieltes, bewusst geformtes sein. Es muss gelingen, den chaotischen Ablauf mit Hilfe von möglichst aussagekräftigen Leitgrößen (daher "global") in einen Zustand des Gleichgewichts zu bringen - also per Rückkopplung stabile Strukturen des Ablaufs zu erzeugen.

So viel ansatzweise zum Verständnis des theoretischen Ziels. In der Praxis nahmen sich die Forscher einen Katalysator aus Platin vor, auf dessen Oberfläche Kohlenmonoxid mit Sauerstoff zu Kohlendioxid oxidiert werden sollte. Das geschieht meist chaotisch, ohne erkennbare Strukturen. Unter günstigen Bedingungen jedoch bilden sich auf der Oberfläche des Katalysators selbstorganisierte "Bedeckungsmuster" von Kohlenmonoxid und Sauerstoff aus, die aber zeitlichen Schwankungen unterliegen. Die Muster zeigen sich in Form von Spiralwellen, die auf kleinste Störungen sensibel reagieren und damit schnell wieder zerfallen. Das Verhalten dieser Spiralwellen ließ sich nicht über längere Zeit vorhersagen.

Bis jetzt - denn nun gelang es, das Chaos mit Hilfe einer Rückkopplungsschleife zu unterdrücken, mehr noch: Es konnten gezielt neue Strukturen hervorgerufen werden. Für die Wissenschaftler ist dies ein Beweis für die Annahme, dass sich auch hochkompliziertes ("hochdimensionales") Chaos durch vergleichsweise einfache Einflüsse in ein strukturiertes System überführen lässt.

Im Fritz-Haber-Institut stellten Theoretiker um Alexander Mikhailov zunächst mathematische Modellrechnungen an. Mit deren Hilfe wurde vorhergesagt, dass sich die gewünschten Muster erzeugen lassen.

Damit die Experimentatoren um Harm Hinrich Rotermund aber die Theorie an der Praxis überprüfen und die Rückkopplung einsetzen konnten, musste ein geeignetes, spezielles Photoemissions-Elektronenmikroskop genutzt werden - welches Mitte der 90er Jahre ebenfalls am Fritz-Haber-Institut entwickelt worden war.

Dessen Technik beruht - vereinfacht dargestellt - darauf, dass hochenergetisches Licht auf die Versuchsanordnung eingestrahlt wird. Die Substanzen, die sich in einer Vakuumkammer auf der Platin-Oberfläche befinden (hier eben Kohlenmonoxid und atomarer Sauerstoff), werden dadurch angeregt und geben ihrerseits Photoelektronen ab. Daran wiederum können sie genau identifiziert werden, es entsteht ein kontrastreiches Muster. Die Auswertung dieser Messungen wiederum diente zum Regeln der Rückkopplung.

Gideon Heimann