PSI-Jahresrückblick 2024

Das Jahr 2024 beginnt mit einem Verlust für die Klimaforschung: Im Rahmen der Initiative Ice Memory haben Forschende des PSI vor sechs und vor vier Jahren gebohrte Eiskerne vom Corbassière-Gletscher am Grand Combin im Wallis analysiert. Ein Vergleich der beiden Datensätze, der im Wissenschaftsmagazin Nature Geoscience veröffentlicht wurde, zeigt: Die Erderwärmung hat diesen Gletscher als Klimaarchiv weitgehend unbrauchbar gemacht. Aus ihm lassen sich keine verlässlichen Informationen mehr über das vergangene Klima und die Luftverschmutzung gewinnen.

Im Februar publizierten Forschende des PSI und des Technologietransferzentrums ANAXAM eine Lösung für ein altes Problem: Bei vorgefüllten Fertigspritzen kann es in seltenen Fällen dazu kommen, dass die Spritzennadeln verstopfen. Mithilfe der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS und der Schweizer Spallations-Neutronenquelle SINQ kamen die Forschenden einer möglichen Ursache auf die Spur: Zu starke Druck- und Temperaturschwankungen treiben Flüssigkeit in die Nadel, wo etwa auch Luftblasen entstehen können. Trocknet die Flüssigkeit aus, verbleiben Pfropfen oder Beläge im Inneren der Nadel. 

Im Rahmen einer strategischen Zusammenarbeit wollen das PSI und das finnische Unternehmen PiBond, ein führender Hersteller von hoch entwickelten Materialien für die Halbleiterindustrie, die Entwicklung von lithografischen Werkstoffen der nächsten Generation sowie zukünftige Halbleiterinnovationen beschleunigen. Die Lithografie gilt – insbesondere in ihrer fortschrittlichsten Form, der EUV-Lithografie – als Inbegriff der Ultrapräzisionsfertigung. Sie leistet einen entscheidenden Beitrag zur Herstellung von Halbleiterchips, die nicht nur schneller, sondern auch energieeffizienter sind und die rasante Entwicklung der künstlichen Intelligenz vorantreiben.

Eine Zusammenarbeit der besonderen Art steht im April im Mittelpunkt: Mithilfe einer Synchrotron-basierten Technik wollen Forschende des PSI gemeinsam mit dem Montreux Jazz Digital Project der EPFL wertvolle historische Tonbänder, die aufgrund physikalischer und chemischer Zersetzung nicht mehr abspielbar sind, zerstörungsfrei digitalisieren. Die Methode verwendet das besondere Röntgenlicht der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS. Sie soll beispielsweise eine Aufnahme von B.B. Kings Auftritt beim Montreux Jazz Festival aus dem Jahr 1980 wiederherstellen und damit für die Nachwelt retten. 

Eine Bionanomaschine für grüne Chemie: Der Mai steht im Zeichen der Nachhaltigkeit. Forschende am PSI haben erstmals das Enzym Styroloxidisomerase genau charakterisiert, mit dem sich umweltschonend wertvolle Chemikalien und Vorläufer für Medikamente herstellen lassen. Das Enzym lässt sich potenziell so verändern, dass es eine ganze Reihe neuer Substanzen umsetzen kann. Zudem ist das Enzym sehr stabil und daher im grossen Massstab einsetzbar. Es könnte deshalb ein neues wichtiges Werkzeug für die Kreislaufwirtschaft und die grüne Chemie werden.

Fortschritte in der medizinischen Forschung und Innovation profitieren von einer engen Zusammenarbeit zwischen Ärztinnen und Ärzten einerseits sowie Forschenden andererseits. Um das zu fördern, haben die Kantonsspital Aarau AG, die Kantonsspital Baden AG, die Hirslanden Klinik Aarau AG, die ETH Zürich, die Empa sowie das PSI im Juni gemeinsam den «Verein für medizinische Forschung und Innovation im Kanton Aargau» gegründet. Künftig sollen Ärztinnen und Ärzte, die an Aargauer Spitälern vorwiegend klinisch arbeiten, über diesen Verein Forschungszeit beantragen können. Im Rahmen dieser Forschungszeit arbeiten sie dann an gemeinsamen Projekten mit Forschenden der ETH Zürich, der Empa oder dem PSI. 

Krebs ist nicht gleich Krebs. Manche Tumore wachsen sehr langsam oder wechseln kaum je das Stadium von einer eher harmlosen Vorstufe zu einer lebensbedrohlichen Form. Bei Frauen gehört hier eine Vorstufe von Brustkrebs in den Milchgängen dazu, das sogenannte ductale Carcinoma in situ. Bislang ist es nicht möglich, verlässlich zu entscheiden, welcher Tumor harmlos bleibt. Forschende des PSI und des Massachusetts Institute of Technology MIT haben eine Bildanalyse entwickelt, die das Krankheitsstadium mithilfe künstlicher Intelligenz künftig zuverlässig einschätzen können soll. Weitere Studien sollen nun die Zuverlässigkeit und Sicherheit des Ansatzes belegen.

In Zusammenarbeit mit der EPFL, der ETH Zürich und der University of Southern California haben Forschende am PSI mit Röntgenstrahlen so genau wie nie zuvor in einen Computerchip geschaut. Mit einer Auflösung von 4 Nanometern markieren die Aufnahmen einen neuen Weltrekord. Die hochauflösenden dreidimensionalen Bilder, die mit diesem Verfahren erzeugt werden können, ermöglichen Fortschritte sowohl in der Informationstechnologie als auch in den Biowissenschaften. Über ihre Ergebnisse berichteten die Forschenden im August in der Fachzeitschrift Nature.

Jeden Tag ist unser Körper ein kleines bisschen anders. Forschende des PSI haben nun einen Workflow entwickelt, wie sich diese laufenden Veränderungen in die Behandlung von Krebskranken integrieren lassen und die Bestrahlung täglich neu an die Lage des Tumors und die Gegebenheiten im Körper angepasst werden kann. Der neue Workflow wurde erfolgreich in den klinischen Alltag einer Protonentherapie eingebaut und im September im Fachblatt Physics in Medicine and Biology vorgestellt − ein wichtiger Schritt in der Individualisierung der Therapie.

Schon lange träumen Forschende in Biologie und Medizin davon, die Aktivitäten von Zellen zu steuern, ohne dass sie beispielsweise Chemikalien einsetzen müssen. Schliesslich kommt es bei einem so komplexen Gebilde wie einem ganzen Organismus häufig auch zu unerwünschten Nebenwirkungen. Forschenden des PSI ist es nun gelungen, die Struktur bestimmter Fotorezeptoren aufzuklären. Mit ihrer Hilfe könnte man zelluläre Aktivitäten per Licht an- und ausschalten, womit sie zu einem wichtigen Instrument in der biologischen Forschung und medizinischen Anwendung würden. Ihre Ergebnisse präsentierten die Forschenden im Oktober im Fachmagazin Nature Communications.

Die Europäische Weltraumorganisation ESA stärkt ihre Zusammenarbeit mit Innovationsakteuren aus der Schweiz. Dafür haben die ESA und das PSI einen gemeinsamen Vertrag unterzeichnet, der den Beginn des «European Space Deep-Tech Innovation Centre» ESDI markiert. Standort des ESDI ist der Switzerland Innovation Park Innovaare, der wiederum direkter Nachbar des PSI ist. Der Vertrag definiert eine erste Plattform des ESDI: Das Phi-Lab, welches ans PSI angebunden ist und Instrumente zur Innovationsförderung schafft. «Mit dem ESDI bringen wir die ESA in die Schweiz», sagt Johann Richard, Leiter des ESDI. 

Wie lässt sich der Strassenverkehr dekarbonisieren? Eines der Kernthemen der Energiewende stand im Dezember im Mittelpunkt. Forschende des PSI haben ein Konzept zur Reduktion der CO₂-Emissionen im Verkehr entwickelt. Ihr Ansatz kombiniert erneuerbare Energien, Wasserstoff und Biogasanlagen, um Mobilität auch in den Wintermonaten klimafreundlich zu gestalten. Ein entscheidender Faktor: die Nutzung von überschüssigem Solarstrom, der für die Herstellung von Methan und Methanol genutzt wird. Diese nachhaltigen Brennstoffe machen die Mobilität konkurrenzfähig und CO₂-arm.