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Professor für Quantensprünge

Hans-Joachim Werner gilt schon lange als ein Aushängeschild der Uni Stuttgart. Nun wurde dem hochdekorierten Quantenchemiker auch Europas renommiertester Forscherpreis zuteil.

Im Hamburger Flachland, dort, wo Hans- Joachim Werner aufgewachsen ist, sucht man vergebens nach hinreichenden Deutungen, warum es ihn schon früh in die bewegte Welt der Atome und Moleküle gezogen hat. Die Berge und Täler im Süden der Republik, der längst zu seiner Heimat geworden ist, eignen sich dafür schon eher. Das Spezialgebiet des 63-jährigen Wissenschaftlers ist die Quantenchemie, eine Disziplin, die im wahrsten Sinne des Wortes schwer zu begreifen ist, weil sich ihr Wesen so abstrakt gibt, dass sich offenbar auch die klügsten Köpfe mitunter schwer damit tun. „Wer glaubt, die Quantentheorie verstanden zu haben, hat sie nicht verstanden“, so hat der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feymann diesen Umstand einst auf den Punkt gebracht.

So gesehen muss Hans-Joachim Werner wohl die rühmliche Ausnahme sein. Erst jüngst ist der Professor der Universität Stuttgart vom Europäischen Forschungsrat mit einem ERC Advanced Grant ausgezeichnet worden, dem renommiertesten Forscherpreis in Europa, der mit 2,45 Millionen Euro dotiert ist. In Zeiten knapper Etats für Hochschulen ein wahrer Geldregen, der nun in Stuttgart niedergeht. Und das nicht zum ersten Mal: Vor wenigen Jahren wurde Werner für die Entwicklung neuer quantenmechanischer Berechnungsmethoden bereits mit dem Gay-Lussac-Humboldt-Award ausgezeichnet, 1996 mit dem mit 300.000 Euro dotierten Max- Planck-Preis. Vor allem aber gehört er seit dem Jahr 2000 zum erlauchten Kreis der Leibniz-Preisträger, kann also auf einen „deutschen Nobelpreis“ verweisen, welchen die Deutsche Forschungsgemeinschaft gemeinhin nur den allerbesten ihrer Zunft zuteil werden lässt. Spätestens seit dieser Kür, die dem Institut für Chemische Theorie weitere 1,5 Millionen Mark an Forschungsgeldern beschert hatte, gilt der durch und durch bescheidene Professor als Aushängeschild der Stuttgarter Spitzenforschung.

Abgehoben hat der „Überflieger“, wie er sich selbst nie nennen würde, deshalb aber nicht, im Gegenteil. Der Wissenschaftler sitzt in einem schlicht dekorierten Büro, das weniger die Aura des Preisträgers verströmt als den Geist einer zweckmäßigen Finanzamtsstube. Der erste Blick aber täuscht. Bei Werner ist mehr Sein als Schein. Die Chemie stimme, sagen seine Studenten über den Quantenchemiker. Nicht von ungefähr gilt er als Sympathieträger unter den Profs, der sich trotz gewaltigen Arbeitspensums immer Zeit für jeden Einzelnen nimmt, stets ruhig und freundlich bleibt – und auch bei vermeintlich hoffnungslosen Fällen nicht die Geduld verliert.

Grundsätzlich geht es in Werners Spezialgebiet darum, Eigenschaften und Reaktionen von Molekülen und Atomen berechnen und vorhersagen zu können. Nach Reagenzgläsern sucht man in seinem Institut aber vergeblich, ein solches Instrumentarium wäre viel zu ungenau für die unvorstellbar kleinen Teilchen, die es zu untersuchen gilt. Für seine Forschungsreise braucht er vor allem Hochleistungscomputer – und Bilder im Kopf. „In Tälern fühlen sie sich wohl“, sagt Werner, der ein leidenschaftlicher Wanderer und Skifahrer ist, damit aber die Atome und Moleküle meint, die ihn faszinieren und deren Pfade er ergründet. Die Bewegung der Atome bei chemischen Reaktionen könne man mit Kugeln vergleichen, die durch ein Gebirge rollen, erklärt er. Ein Stoß katapultiert das Atom den Berg hinauf, bei genügend Energie kann ein Pass überwunden und das nächste Tal erreicht werden. Liegt dieses tiefer als der Ausgangsort, wird Energie frei, zum Beispiel in Form von Wärme bei einer Verbrennungsreaktion.

Zur exakten Berechnung der Form des Gebirges, die von den vielgestaltigen Wechselwirkungen der Atomkerne und Elektronen bestimmt wird, haben Werner und seine Mitarbeiter in jahrelanger Tüftlerarbeit Computerprogramme mit über zwei Millionen codierter Zeilen geschrieben, die mittlerweile international von vielen Hundert Forschergruppen an Universitäten und auch in der Industrie eingesetzt werden. Angefangen haben die Stuttgarter Theoretiker dabei mit einfachen chemischen Reaktionen, die experimentell gut zu untersuchen sind, etwa der Umsetzung von Chlor oder Fluor mit Wasserstoff. Weltweit hatten sich Wissenschaftler bis dahin vergeblich daran versucht. „Wir haben es geschafft, die Dynamik einfacher Reaktionen am Computer exakt zu simulieren und die Experimente theoretisch bis ins letzte Detail zu beschreiben“, sagt der Professor. Ein Quantensprung in der Quantenchemie.

Im Hamburger Stadtteil Fuhlsbüttel aufgewachsen, hatte Werner als Schüler wesentlich weniger Zeit im Abenteuerland des Hafens mit seinen Kränen und Frachtschiffen aus aller Welt verbracht als im unendlich weiten Kosmos der Naturwissenschaften. Schon früh war ihm klar, wie er sagt, was seine Profession werden sollte. Weil die Physik, die er eigentlich studieren wollte, Ende der 60er Jahre als „brotlose Kunst“ galt, schrieb es sich an der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz für Chemie ein. Mitte der 80er Jahre, nachdem er in Frankfurt habilitiert hatte, zog es ihn für ein Jahr ins amerikanische Los Alamos, an einen Ort, an dem er mit den damals besten Großrechnern Grundlagenforschung betreiben konnte. Ein weiteres Stipendium führte ihn an die ehrwürdige University of Cambridge, ein kulturelles Kontrastprogramm für den Forscher, wie er heute sagt: „Vom wilden Westen ins traditionelle England.“ Nach weiteren Studien nahm Werner 1987, damals schon Vater von drei Söhnen, eine Professur an der Uni Bielefeld an, bevor er 1994 dem Ruf der Universität Stuttgart folgte und Direktor des Instituts für Theoretische Chemie wurde. „Ein Glücksfall“, wie er noch heute findet.

Für das Institut gilt das in jedem Fall. Die bessere Ausstattung mit finanziellen Mitteln und Mitarbeitern, die dem Forscher seither vieles ermöglichte, hat er millionenfach zurückgegeben, wenn man es in harter Währung ausdrücken will. Das Leibniz-Preisgeld wurde seinerzeit vor allem für die Anstellung neuer, hochqualifizierter Mitarbeiter verwendet. Und auch die 2,45 Millionen Euro, die nun in das Institut fließen werden, sollen überwiegend für „exzellentes Personal“ verbraucht werden, sagt Werner. Auf fünf Jahre ist die Forschungsförderung festgeschrieben, was der Institutsleiter gleichermaßen als „große Ehre und enorme Herausforderung“ sieht. Mit seinem Team will der Wissenschaftler unter anderem Programme entwickeln, mit denen auch komplexe biochemische Reaktionen mit hunderten von beteiligten Atomen berechnet werden können. Das Problem dabei ist, dass bei traditionellen Methoden der Rechenaufwand mit der Molekülgröße sprunghaft steigt, weshalb die Computer schon für ein vierfach größeres Molekül 10.000 Mal länger brauchen würden. „Da helfen auch die größten Superrechner nicht weiter“, sagt Werner, der nach intensiver Forschung eine revolutionäre Lösung dafür gefunden hat: eine lineare Skalierung, die dank neuer Näherungswerte eingesetzt werden kann und jede Menge Zeit spart. Vierfache Molekülgröße bedeutet damit nur noch vierfache Rechenzeit. Statt einem Monat laufen die Maschinen nur noch eine Stunde.

Dass der Spitzenforscher im Oktober 2012 auch noch zum Prorektor für Struktur und Forschung der Uni Stuttgart gewählt wurde, ehrt ihn, wie er sagt. Andererseits kommt ihm das zeitintensive Amt nun aber auch ein wenig mit seinem Forschungsauftrag in die Quere. Fast die Hälfte seiner Arbeitszeit verbringt er seit der Wahl nicht mehr als Forscher, sondern als eine Art strategischer Vordenker. Als solcher sieht er seine dringlichste Aufgabe vor allem darin, die Bedingungen für die Hochschule zu optimieren und die knappen Mittel gezielter und leistungsbezogener einzusetzen als bisher. „Deutsche Universitäten sind heutzutage drastisch unterfinanziert. Nur mit neuen Strukturen können wir dem internationalen Konkurrenzdruck standhalten“, sagt er. Ausgebaut werden sollen die Sonderforschungsbereiche und andere Programme, die im Erfolgsfall gut dotierte Preise und damit Forschungsgelder bringen, welche überlebenswichtig sind für die Hochschule. Die Uni als Bildungseinrichtung müsse dies bestmöglich unterstützen und fördern. „Die Ideen und Initiativen“, sagt Hans-Joachim Werner, „müssen aber von den Wissenschaftlern selbst kommen.“