Gastkommentar

Thomas Prohaska © Foto Wilke
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Dossier

"Moderne Analytik als Motor der Disziplinen - am Beispiel der Geowissenschaften"

Gastkommentar

31.03.2015
  • Wien (Gastkommentar) - Entwicklungen in den Analytischen Wissenschaften haben maßgeblich zum Fortschritt der Natur- und Lebenswissenschaften beigetragen. Die Geschwindigkeit, mit der sich dabei die Geowissenschaften in den letzten Jahrzehnten revolutioniert haben, ist durchaus bemerkenswert. Durch instrumentelle Neuentwicklungen und kontinuierliche Verbesserungen der analytischen Methoden konnten Erkenntnisse gewonnen werden, welche zuvor - wenn überhaupt - oft nur ansatzweise zugänglich waren. Neues Wissen über Vorgänge in der Erdkruste und im Erdinneren, über die Entstehung der Erde, über das Klima oder über Zusammenhänge in Ökosystemen können somit gewonnen werden. Die Ansätze spannen sich von der Analytik im Nano - und Mikromaßstab, über das Screening der Erde mit Hilfe von Flugzeugen und Satelliten bis hin zur spektroskopischen Fernbeobachtung weit entfernter Sonnensysteme durch Analysengeräte an Bord von Raumsonden.

  • Als analytische Instrumente sind allen voran Massenspektrometer zu nennen, mit deren Hilfe an verschiedenen Materialien die Element- und Isotopenzusammensetzungen analysiert werden. Insbesondere letztere können aufschlussreiche Hinweise auf Prozesse in geologischen Systemen und Ökosystemen, auf das Zusammenspiel der belebten und unbelebten Natur oder auf Vorgänge in biologischen Systemen geben. Die Isotopenzusammensetzungen der Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff oder Stickstoff als Beispiel dienen dazu, Kenntnisse über fundamentale Prozesse in Ökosystemen zu verfolgen. Die Isotope der Elemente Strontium, Blei oder Neodym erlauben wiederum die Zuordnung verschiedener Materialien zu ihrer Herkunft.

  • Im Bereich der Altersdatierung biologischer Materialien ist die 14C-Isotopen-Methode weitgehend bekannt. Andere natürliche Isotopensysteme (beispielsweise Uran/Thorium/Blei, Rubidium/Strontium oder Samarium/Neodymium) können zur Altersbestimmung von Gesteinen herangezogen werden. Die in-Situ Analyse von Mikrometer-kleinen Zirkonen war in dieser Hinsicht ein Meilenstein in der Altersdatierung. Zirkone sind Silikatgesteine, die Uran und Thorium als geologische Uhren enthalten, und gegen Verwitterung weitgehend resistent sind. Dadurch behalten sie die in ihnen gespeicherte Information über lange Zeiträume hinweg, wobei die ältesten Zirkone aus Westaustralien fast 4,5 Milliarden Jahre alt sind. Mit Hilfe eines Lasers in Kombination mit einem Massenspektrometer können mittlerweile auch die Isotopen- und Elementzusammensetzungen von kleinsten Fluideinschüssen in Mineralien gemessen werden. Diese wiederum geben Auskunft über die Zusammensetzungen von 'Urwässern'.

  • Durch die Verbesserung der Präzision und Genauigkeit der Analysengeräte wurden immer weitere Isotopensysteme zugänglich, deren natürliche Variationen zuvor nicht bekannt beziehungsweise nicht messbar waren - aber heute zum Teil sogar routinemäßig erfasst werden können. Dadurch ergeben sich völlig neue Forschungsfragen und -ansätze. Beispielsweise wurde erst unlängst das Potenzial sogenannter 'gehäufter Isotopen' (engl.: 'clumped isotopes)' der Elemente Kohlenstoff und Sauerstoff zur Erforschung historischer Temperaturverläufe erkannt. Damit konnte unter anderem festgestellt werden, dass - zumindest einige - Dinosaurier Warmblütler waren.

  • Ein weiterer wichtiger Bereich ist die Anwendung von sogenannter Synchrotronstrahlung, insbesondere bei der Analyse von Materialien mit Hilfe von Röntgenstrahlen. Es handelt sich dabei um eine charakteristische Bremsstrahlung, wie sie bei hochbeschleunigten Elektronen in Teilchenbeschleunigern auftritt. Erst diese machten extrem niedrige Nachweisgrenzen und höchste räumliche Auflösung möglich. Aber auch in Handgeräten kommt Röntgenstrahlung routinemäßig zum Einsatz, um möglichst rasch 'im Feld' die Elementzusammensetzung von Böden, Gesteinen, Mineralien oder Metallen zu bestimmen. Spektrometer werden sogar in Drohnen, Flugzeugen und Satelliten eingebaut, wodurch flächendeckende Untersuchungen der Erde möglich sind. Sensoren wie Multi- oder Hyperspektralkameras dienen beispielsweise zur Erfassung von atmosphärischen Spurengasen zur Klima- und Emissionsüberwachung, zur Bestimmung von Gesteinstypen oder zum Auffindung von Lagerstätten.

  • Der Einsatz analytischer Methoden beschränkt sich allerdings schon lange nicht mehr auf die Untersuchung unserer Erde. Mittlerweile werden Raumsonden mit Spektrometern und anderen analytischen Geräten ausgestattet, um ferne Welten zu erforschen. Massenspektrometer auf den Mond- oder Marsmissionen gewinnen Kenntnisse über die Zusammensetzung der Oberfläche und an Bord der ESA-Raumsonde Rosetta wurde ein Rasterkraftmikroskop zur Analyse der Mikrotextur von Partikeln eines Kometen installiert.

  • Alle diese Erkenntnisse sind letztendlich aber erst durch die Interaktion verschiedener wissenschaftlicher Disziplinen möglich. Trotz (oder gerade durch) Spezialisierung sind transdisziplinäre Forschung und kollegiale Zusammenarbeit ein Schlüssel für die Weiterentwicklung moderner Wissenschaften. "Transdisziplinarität" lebt von der gemeinsamen disziplinenübergreifenden Bearbeitung von Fragestellungen, entsprechend derer neue Methoden entwickelt werden, während sich dadurch die Disziplinen gegenseitig in ihrer Entwicklung beeinflussen. Seit langem findet zwischen analytischen Wissenschaften und Geowissenschaften dieser transdisziplinäre Austausch statt, ohne den die rasanten fachlichen Entwicklungen in beiden Disziplinen nicht denkbar wären.

  • Natürlich erfordern moderne analytische Infrastrukturen oft erhebliche Investitionen. Diese - zum Beispiel Teilchenbeschleuniger - sind dabei nur durch gemeinsame Initiativen leistbar und durch intensive Kooperationen von Forschungsgruppen sinnvoll nutzbar. Durch Infrastruktur alleine ist aber naturgemäß noch nicht viel erreicht, da es entsprechend ausgebildete Forscherinnen und Forscher mit spezifischen Kenntnissen der analytischen Methoden benötigt, um valide Daten zu erhalten. Ich persönlich sehe genau dort die extrem große Herausforderung und Verantwortung der Analytik. Ohne Daten mit der notwendigen Qualität führen weitere Schlüsse, Interpretationen und Hypothesen oft in eine völlig falsche Richtung. Als transdisziplinär arbeitende AnalytikerInnen ist es unbedingt notwendig, die persönliche Bereitschaft mitzubringen, sich über einen längeren Zeitraum mit ForscherInnen anderer Disziplinen kreativ und offen in einen intensiven Dialog zu begeben, um auf Basis der Messdaten wissenschaftlich abgesicherte neue Erkenntnisse zu gewinnen. Aus diesem Grund werden sowohl in den analytischen Wissenschaften als auch in den Geowissenschaften verstärkt hochausgebildete Fachleute benötigt, welche die komplexen modernen analytischen Methoden verstehen, anwenden, an neue Fragestellungen adaptieren und letztendlich hinsichtlich neuer geowissenschaftlicher Fragestellungen weiterentwickeln können.

  • Diese Weiterentwicklung analytischer Methoden wird nicht stehenbleiben, solange der Wissens- und Forscherdrang der Menschheit nach immer neuen und verbesserten Methoden sucht, die Natur zu verstehen. Die Aufgabe der Wissenschaft ist aufzudecken, was wir nicht wissen - Forscherinnen und Forscher sammeln Fakten, hinterfragen und analysieren und teilen ihre Erkenntnisse zum Wohl und Fortkommen der Menschheit. Es besteht unbestritten fort, dass wissenschaftliche Erkenntnisse auch für wichtige gesellschaftspolitisch relevante Fragestellungen von essenzieller Bedeutung sind und Grundlagenforschung wesentliche Weichen zur Weiterentwicklung zum Wohl der Menschheit legt. Es bedarf daher auch eines klaren Bekenntnisses einer Gesellschaft zur Wissenschaft und der Wissenschaft zur Gesellschaft.

Zur Person

Thomas Prohaska, ao. Professor am Department für Chemie der Universität für Bodenkultur

Thomas Prohaska, geboren 1968 in St. Pölten, absolvierte das Studium der Technischen Chemie an der Technischen Universität (TU) Wien mit Auszeichnung. 1995 promovierte er mit Auszeichnung auf dem Gebiet der Oberflächenanalytik am Institut für Analytische Chemie der TU Wien. Im Anschluss wurde er Universitätsassistent an der Universität für Bodenkultur Wien. Nach einem Forschungaufenthalt 1996 in Japan und 1998 – 2000 an der gemeinsamen Forschungsstelle der Europäischen Kommission in Geel (Belgien) kehrte er an die Universität für Bodenkultur Wien (BOKU) zurück wo er sich 2002 habilitierte. Seither ist er außerordentlicher Professor für Analytische Chemie. Er erhielt 2003 den Feigl Preis, 2004 den START Preis des FWF und 2006 den Viennovation Award. Mit Hilfe des START Preises baute er an der BOKU das VIRIS Labor für Analytische Ökogeochemie auf und erfüllte sich den lang gehegten Traum eines eigenen Labors für Isotopenforschung. 2011 folgte ein Auslandsaufenthalt in Singapur und im selben Jahr übersiedelte er mit seinem Labor an den neu eröffneten BOKU Standort am UFT in Tulln (NÖ). Er ist Autor von mehr als 100 wissenschaftlichen Artikel und zahlreicher eingeladener Beiträge zu wissenschaftlichen Konferenzen. Er ist Mitglied der Jungen Kurie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (in deren Direktorium er mehrere Jahre tätig war), war Präsident der Österreichischen Chemisch Physikalischen Gesellschaft und ist - unter anderem - Sekretär der CIAAW, der Kommission für Isotopenhäufigkeiten und Atomgewichte der IUPAC. Sein Fachgebiet – die Analytische Ökogeochemie – sieht er als transdisziplinären Ansatz zur Entwicklung und Anwendung analytischer Methoden bei der Erforschung von Prozessen in der belebten und unbelebten Natur.

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