Jahresrückblick: Wichtige Durchbrüche in der chinesischen Wissenschaft und Technologie im Jahr 2021

Das Jahr 2021 neigt sich dem Ende zu. Das vergangene Jahr war ein Jahr neuer Höchststände und großer Erträge in der Technologiebranche. In diesem Jahr, das mit dem 100. Jahrestag der Gründung der Kommunistischen Partei Chinas zusammenfiel, erzielte die wissenschaftliche und technologische Gemeinschaft meines Landes eine Reihe wichtiger Durchbrüche. Beim Quantencomputing wurden erhebliche Fortschritte erzielt, sodass mein Land das einzige Land ist, das in zwei physikalischen Systemen Überlegenheit im Quantencomputing erreicht hat; Das „China Sky Eye“ wurde offiziell der Welt präsentiert und zeigt das Auftreten eines großartigen Landes. Die erfolgreiche Realisierung der künstlichen Stärkesynthese aus Kohlendioxid hat der Menschheit neue Möglichkeiten für die Zukunft eröffnet …

Dieses Jahr war ein Jahr unermüdlicher Anstrengungen der Wissenschaftler und Techniker. Sie waren unbezwingbar in ihrem Streben nach wissenschaftlicher Wahrheit und haben die Grenzen, die die Menschheit erreichen kann, immer wieder erweitert. Die wissenschaftliche und technologische Gemeinschaft wird angesichts des günstigen Klimas der Zeit sicherlich wieder in See stechen und in Richtung einer farbenfroheren Zukunft marschieren.

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Die Wiederherstellung der „ursprünglichen“ Gene des Reises

Hilft, bessere Reissorten anzubauen

Allotetraploiden Wildreis schnell von Grund auf zu domestizieren, die Vorteile der Polyploidie voll auszuspielen, einige der hervorragenden Gene wiederherzustellen, die im aktuellen Kulturreis verloren gegangen sind, und neue Reissorten mit höheren Erträgen und stärkerer Anpassungsfähigkeit an die Umwelt zu züchten – dieser bahnbrechende Fortschritt des Teams von Li Jiayang und seiner Mitarbeiter vom Seed Innovation Institute und dem Institute of Genetics and Developmental Biology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften wurde am 4. Februar in der international renommierten Fachzeitschrift Cell veröffentlicht.

Polyploidie ist ein wichtiger Mechanismus der Pflanzenevolution. Der Kulturreis, den wir heute anbauen, wurde über Tausende von Jahren künstlich domestiziert und seine agronomischen Eigenschaften wurden kontinuierlich verbessert. Gleichzeitig ging jedoch auch viel von seiner genetischen Vielfalt verloren, was zu einem Mangel an überlegenen genetischen Ressourcen führte. Allotetraploide haben zwei Chromosomensätze mehr als Diploide. Allotetraploider Wildreis hat die Vorteile einer großen Biomasse, Selbsthybridisierung und starken Anpassungsfähigkeit an die Umwelt. Aufgrund seiner nicht domestizierten Eigenschaften ist jedoch auch eine direkte Verwendung in der landwirtschaftlichen Produktion nicht möglich.

Ausgehend von tetraploidem Wildreis mit besserer Gesamtleistung nutzte Li Jiayangs Team moderne Technologien zur Genom-Editierung, um die Geschichte der Reisdomestizierung, die sich über Tausende bis Zehntausende von Jahren erstreckte, in kurzer Zeit „nachzuspielen“ und dabei den Verlust einiger Gene zu vermeiden. Sie entwarfen und realisierten erstmals einen Rahmen für die schnelle Domestizierung von allotetraploidem Wildreis von Grund auf, in der Hoffnung, neue Reissorten mit hohem Ertrag und starker Anpassungsfähigkeit an die Umwelt anzubauen. Das Forschungsteam überwand technische Engpässe wie Genomanalyse, effiziente genetische Transformation und effiziente Genombearbeitung und annotierte eine Reihe von Domestizierungsgenen und wichtigen agronomischen Merkmalsgenen im Genom von allotetraploidem Hochwildreis. So konnte das Team erfolgreich eine Vielzahl von genomeditierten allotetraploiden Wildreismaterialien mit verringerter Kornzertrümmerung, kürzerer Grannenlänge, geringerer Pflanzenhöhe, größerer Kornlänge, dickeren Stängeln und unterschiedlich stark verkürzter Ährenzeit erzeugen.

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Neuauflage von „Nine Chapters“ und „Zu Chongzhi“

Erreichen der Quantenüberlegenheit in zwei physikalischen Systemen

Die Entwicklung von Quantencomputern mit praktischem Nutzen ist seit jeher eines der wichtigsten Entwicklungsziele im Bereich des Quantencomputings und steht heute auch im Fokus des zwischenstaatlichen Wettbewerbs. Im vergangenen Jahr hat mein Land eine Reihe wichtiger Fortschritte in der Forschung und Entwicklung von Quantencomputern erzielt.

Am 27. Februar veröffentlichte die international anerkannte Fachzeitschrift Science Advances ein Ergebnis. Ein neuer Typ eines programmierbaren optischen Quantencomputerchips auf Siliziumbasis, der von Forschern der National University of Defense Technology, der Academy of Military Sciences, der Sun Yat-sen University und anderen Institutionen entwickelt wurde, hat Quantenalgorithmuslösungen für eine Vielzahl von Graphentheorieproblemen realisiert und soll künftig in Bereichen wie der Verarbeitung großer Datenmengen Anwendung finden.

Am 7. Mai veröffentlichte das Magazin Science die Forschungsergebnisse des Teams von Pan Jianwei von der University of Science and Technology of China. Ihnen gelang die Entwicklung eines Quantencomputer-Prototyps „Zu Chongzhi“, der 62 supraleitende Quantenbits manipulierte und auf dieser Basis programmierbare zweidimensionale Quantenspaziergänge realisierte. Mit dieser Errungenschaft wurde eine technische Grundlage für die Erzielung der Quantenüberlegenheit in supraleitenden Quantensystemen und für die anschließende Forschung zum Quantencomputing mit erheblichem praktischem Wert geschaffen.

Ende Oktober entwickelte das Team von Pan Jianwei einen 66-Bit-programmierbaren supraleitenden Quantencomputer-Prototyp „Zu Chongzhi 2.0“ weiter, der bei Aufgaben mit zufälliger Schaltungsabtastung eine Überlegenheit im Quantencomputerbereich erreichte. Der Schwierigkeitsgrad der erledigten Aufgabe war 2-3 Größenordnungen höher als bei Googles „Platanus“ im Jahr 2019.

Gleichzeitig hat die verbesserte Version von „Jiuzhang 2.0“ durch Pan Jianweis Team auch seinen Quantenvorteil erheblich verbessert. Für die Aufgabe des Gaussian-Boson-Sampling-Problems, die „Jiuzhang“ vor einem Jahr in einer Minute erledigen konnte, hätte der leistungsstärkste Supercomputer der Welt Hunderte von Millionen Jahren gebraucht; und die Aufgabe, die „Jiuzhang 2.0“ in einer Minute erledigen kann, würde den Supercomputer zig Milliarden Mal mehr Zeit kosten. Darüber hinaus verfügt „Jiuzhang 2.0“ auch über teilweise programmierbare Fähigkeiten.

Mit der Einführung von „Jiuzhang 2.0“ und „Zu Chongzhi 2.0“ ist mein Land das einzige Land, das in zwei physikalischen Systemen Überlegenheit im Bereich Quantencomputer erreicht hat.

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„Chinas Himmelsauge“ heißt Wissenschaftler aus aller Welt willkommen

Beobachtungsanträge werden ab Ende März entgegengenommen

Im Einklang mit dem Prinzip des offenen Himmels lud das Five-hundred-meter Aperture Spherical Radio Telescope (FAST), eine wichtige nationale wissenschaftliche und technologische Infrastruktur, bekannt als „China Sky Eye“, Astronomen aus aller Welt ein, ab 0:00 Uhr Pekinger Zeit am 31. März 2021 Beobachtungsanträge zu sammeln. Alle ausländischen Bewerbungsprojekte werden einheitlich geprüft. Der Beobachtungszeitraum beginnt dieses Jahr im August.

Das „China Sky Eye“ nimmt ab dem 31. März Beobachtungsanträge von Astronomen aus aller Welt entgegen. Foto: Xinhua-Reporter Ou Dongqu

Das China Sky Eye befindet sich in Dawodang, Kreis Pingtang, Präfektur Qiannan, Provinz Guizhou. Es wurde 2016 fertiggestellt. Es handelt sich um ein Radioteleskop mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten, dem weltweit größten und empfindlichsten mit einer einzigen Apertur. Wie bei optischen Teleskopen gilt auch hier: Je größer die Apertur eines Radioteleskops ist, desto mehr elektromagnetische Wellen empfängt es, desto höher ist seine Empfindlichkeit und desto stärker ist seine Detektionsfähigkeit. Damit kann Chinas Sky Eye schwache Radiosignale im Universum überwachen.

Seit der nationalen Abnahme und Inbetriebnahme läuft die Sky Eye-Anlage in China stabil und zuverlässig. Die Zahl der entdeckten Pulsare hat mittlerweile über 500 erreicht und in Forschungsbereichen wie den schnellen Radioblitzen wurden bedeutende Durchbrüche erzielt. Die Entwicklung und der Bau des chinesischen Sky Eye spiegeln nicht nur die unabhängige Innovationsfähigkeit meines Landes wider, sondern fördern auch die Entwicklung vieler Hochtechnologiebereiche wie Antennenherstellungstechnologie, Mikrowellenelektroniktechnologie, Parallelroboter, Großbauingenieurwesen und kilometerweite hochpräzise dynamische Messungen.

Wu Xiangping, Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und Leiter des wissenschaftlichen Komitees von FAST, sagte, FAST stehe für die weltweite Nutzung offen und demonstriere das Konzept der umfassenden Zusammenarbeit und die Umsetzung des Konzepts einer Schicksalsgemeinschaft für die Menschheit.

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Mit flüssigem Helium eine Welt bei -271 °C erschaffen

Große kryogene Kälteanlagen „made in China“

Am 15. April wurde das nationale Großprojekt zur Entwicklung wissenschaftlicher Forschungsgeräte „Entwicklung eines groß angelegten kryogenen Kühlsystems vom Temperaturbereich flüssigen Heliums bis zum suprafluiden Helium“ des Technischen Instituts für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (im Folgenden „CAS Physik und Chemie“ genannt) genehmigt und seine Ergebnisse geprüft. Die Expertengruppe zur Bewertung der Projektergebnisse ist der Ansicht, dass die Gesamttechnologie des Projekts ein international fortschrittliches Niveau erreicht hat. Dies deutet darauf hin, dass mein Land in der Lage ist, große kryogene Kühlgeräte zu entwickeln, die bei der Temperatur von flüssigem Helium (-269 °C) im Kilowattbereich und bei der Temperatur von supraflüssigem Helium (-271 °C) im Hundertwattbereich betrieben werden können.

Im Inland hergestelltes Groß-Niedertemperatur-Kühlsystem im Flüssighelium-Temperaturbereich. Bildquelle: Institut für Physik und Chemie, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Flüssiges Helium ist die „Wunderwaffe“ zur Erzeugung ultratiefer Temperaturen. Mit der rasanten Entwicklung der Sozialwirtschaft ist mein Land zu einem Hauptverbraucher von großen Niedertemperatur-Kühlgeräten geworden. Aufgrund des Mangels an groß angelegten Niedertemperatur-Kühlsystemen, wichtigen Untergeräten und integrierter Technologie sind die groß angelegten Niedertemperatur-Kühlgeräte meines Landes jedoch seit langem vom Ausland monopolisiert und in hohem Maße von Importen abhängig.

Im Dezember 2015 begann das Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mit der Forschung und Entwicklung von groß angelegten Tieftemperatur-Kälteanlagen im Temperaturbereich von flüssigem Helium bis supraflüssigem Helium. Auf der Grundlage jahrzehntelanger Ansammlung von Kryotechnik ist es uns nach fünf Jahren harter Arbeit und beharrlicher unabhängiger Innovation endlich gelungen, einen großen Heliumkühlschrank mit fortschrittlichen technischen Indikatoren zu entwickeln.

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Optische Speicherzeit bis zu 1 Stunde

Ein wichtiger Schritt in Richtung Quanten-USB-Laufwerke

Im April erhöhte die Forschungsgruppe von Li Chuanfeng und Zhou Zongqun aus dem Team von Guo Guangcan an der University of Science and Technology of China die optische Speicherzeit auf 1 Stunde und übertraf damit den Weltrekord von 1 Minute optischer Speicherung, der 2013 von einem deutschen Team aufgestellt worden war, deutlich. Damit wurde ein wichtiger Schritt in Richtung der Realisierung von Quanten-USB-Flash-Laufwerken gemacht. Die Ergebnisse wurden Ende April in der maßgeblichen Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Datenbild. Bildquelle: pixabay

Licht ist zum grundlegenden Träger der modernen Informationsübertragung geworden. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt bis zu 300.000 Kilometer pro Sekunde. Die Lichtgeschwindigkeit zu „verlangsamen“ oder das Licht sogar zum „Anhalten“ zu bringen, ist das Ziel, nach dem die internationale akademische Gemeinschaft strebt. Die Speicherung von Licht ist insbesondere im Bereich der Quantenkommunikation von großer Bedeutung. Durch die Speicherung von Photonen in einem Quantenspeicher mit extrem langer Lebensdauer, nämlich einem Quanten-USB-Stick, ist es möglich, Quanteninformationen durch den direkten Transport des Quanten-USB-Sticks zu übertragen. Angesichts der Geschwindigkeit von Transportmitteln wie Flugzeugen und Hochgeschwindigkeitszügen muss die optische Speicherzeit eines Quanten-USB-Flash-Laufwerks mindestens im Bereich von Stunden liegen.

Im Jahr 2015 entwickelte die Forschungsgruppe von Li Chuanfeng und Zhou Zongqun ihr eigenes optisches Kernspinresonanzspektrometer zur Raman-Heterodyn-Detektion. Mithilfe dieses Instruments konnten sie den vollständigen Hamiltonoperator optischer Übergänge in mit Europium dotierten Yttriumsilikatkristallen genau charakterisieren und die Energieniveaustruktur unter dem Magnetfeld, in dem der Zeeman-Effekt erster Ordnung Null ist (ZEFOZ), theoretisch vorhersagen.

In Zukunft wird der Mensch voraussichtlich mithilfe ausgereifterer Quanten-USB-Flash-Laufwerke die Übertragung von Quanteninformationen auf der Grundlage klassischer Transportmittel realisieren und damit einen neuen Quantenkanal schaffen.

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Künstliche Sonne bricht Weltrekord

Erzielen Sie eine wiederholbare Verbrennung bei 120 Millionen Grad Celsius für 101 Sekunden

Am 28. Mai kamen gute Nachrichten von den Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Das vollständig supraleitende Tokamak-Kernfusions-Versuchsgerät (EAST), auch als „künstliche Sonne“ bekannt, erzielte einen neuen Durchbruch und erreichte erfolgreich einen wiederholbaren Plasmabetrieb bei 120 Millionen Grad Celsius für 101 Sekunden und 160 Millionen Grad Celsius für 20 Sekunden. Damit wurde ein neuer Weltrekord für den Betrieb des Tokamak-Versuchsgeräts aufgestellt und ein wichtiger Schritt in Richtung der Anwendung der Kernfusionsenergie gemacht.

Die „künstliche Sonne“ erreichte einen wiederholbaren Plasmabetrieb bei 120 Millionen Grad Celsius für 101 Sekunden und 160 Millionen Grad Celsius für 20 Sekunden. Foto: Xinhua News Agency-Reporter Zhou Mu

Das Licht und die Wärme, von denen das Wachstum aller Dinge auf der Erde abhängt, stammen aus der Energie, die bei der Kernfusionsreaktion der Sonne freigesetzt wird. Der Brennstoff Deuterium, der diese Fusionsreaktion ermöglicht, ist auf der Erde in äußerst großen Reserven vorhanden, die für die Menschheit für zig Milliarden Jahre ausreichen. Wenn es uns gelingt, mithilfe von Deuterium eine „künstliche Sonne“ zur Stromerzeugung zu erschaffen, besteht für die Menschheit die Hoffnung auf völlige Energiefreiheit.

Doch bei der Schaffung einer „künstlichen Sonne“ stellt sich ein großes praktisches Problem: Welcher Behälter soll für die Kernfusion verwendet werden? Unter künstlichen Kontrollbedingungen muss die Ionentemperatur des Plasmas über 100 Millionen Grad Celsius erreichen. Der Schmelzpunkt von Wolfram, dem hitzebeständigsten Metall der Erde, liegt bei über 3.000 °C. Dies bedeutet, dass ein Gerät gebaut werden muss, das gleichzeitig komplexen Umgebungen wie hohen Strömen, starken Magnetfeldern, ultrahohen Temperaturen, ultraniedrigen Temperaturen, hohem Vakuum und hoher Isolierung standhält, was extrem hohe Anforderungen an Prozessdesign und Materialien stellt.

Um die Anforderungen des Fusions-Experimentiergeräts zu erfüllen, haben die Wissenschaftler des EAST-Teams die meisten Schlüsseltechnologien mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten unabhängig voneinander entwickelt, konstruiert und entwickelt und den gesamten technischen Entwurf des EAST-Gerätehosts kreativ fertiggestellt. Die weltweit neue Generation vollständig supraleitender Tokamak-Kernfusions-Experimentiergeräte wurde erstmals in China gebaut und offiziell in Betrieb genommen. Sie bieten eine experimentelle Forschungsplattform für die zukünftige Nutzung und Entwicklung sauberer Energie.

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Erdsimulator gestartet

Sehen Sie die Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft der Erde klar

Am 23. Juni wurde die Earth System Numerical Simulation Facility, eine wichtige nationale wissenschaftliche und technologische Infrastruktur, in der Beijing Huairou Science City fertiggestellt und in Betrieb genommen. Dies ist das erste wissenschaftliche Großgerät zur Simulation des Erdsystems, das in meinem Land erfolgreich mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten entwickelt wurde.

Der Earth System Simulator, auch als Earth Simulation Laboratory bekannt, führt numerische Simulationen des Erdsystems durch. Das heißt, es verwendet Beobachtungsdaten des Erdsystems als Grundlage und nutzt die Gesetze, die die physikalischen, chemischen und Lebensprozesse des Erdsystems sowie deren Entwicklung beschreiben, um groß angelegte wissenschaftliche Berechnungen auf Supercomputern durchzuführen. Dadurch können Wissenschaftler die Vergangenheit der Erde rekonstruieren, ihre Gegenwart simulieren und ihre Zukunft vorhersagen.

Die Gesamtleistung des neu fertiggestellten und in Betrieb genommenen Erdsimulationslabors ist mit dem internationalen Spitzenniveau vergleichbar. Es handelt sich um das erste dedizierte numerische Simulationsgerät meines Landes für das Erdsystem mit unabhängigen Rechten am geistigen Eigentum. Es basiert auf numerischer Simulationssoftware für verschiedene Bereiche des Erdsystems und einem gemeinsamen Design von Software und Hardware. Sein Umfang und sein umfassendes technisches Niveau gehören zu den besten der Welt. Es verfügt über die Fähigkeit, alle Schichten der Erdoberfläche zu simulieren und kann die verschiedenen Prozesse des Erdsystems umfassender berücksichtigen. Insbesondere in den dringendsten Bereichen der Reaktion auf den Klimawandel und der Kohlenstoffneutralität kann das System den globalen ökologischen und biogeochemischen Prozessen und ihren Wechselwirkungen mit dem Klimasystem volle Aufmerksamkeit schenken und auf dieser Grundlage eine klare Beziehung zwischen „Ökologie-Temperatur-Kohlendioxidkonzentration-Kohlenstoffemissionen“ herstellen. Dies bietet eine starke Simulationsunterstützung für die Treibhausgasbilanzierung und zukünftige Erwärmungsprognosen und trägt dazu bei, die Vision und die Ziele des Kohlenstoffpeaks und der Kohlenstoffneutralität zu erreichen. Darüber hinaus wird es eine Grundlage für die künftigen Verhandlungen meines Landes in den Bereichen Klima und Umwelt bieten und die internationale Stimme meines Landes stärken.

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Das Aufkommen der "Eisfaser"

Flexible Biegung und effiziente Lichtlenkung

Am 9. Juli veröffentlichte die maßgebliche Fachzeitschrift Science Ergebnisse, die zeigen, dass das Team von Professor Tong Limin von der School of Optoelectronic Science and Engineering der Zhejiang-Universität in Zusammenarbeit mit Forschern des Center for Interdisciplinary Mechanics der Zhejiang-Universität und der University of California, Berkeley, hochwertige Mikro-Nano-Lichtwellenleiter aus Eis-Einkristallen in einer Umgebung von -50 °C hergestellt hat. Es ist flexibel und kann Licht mit geringem Verlust übertragen, mit einer Leistung, die der von Glasfasern ähnelt.

Als funktionale Struktur, die Licht einschließt und frei überträgt, ist die Glasfaser derzeit eines der effektivsten Werkzeuge zur Manipulation von Lichtfeldern. Der Hauptbestandteil herkömmlicher Glasfasern, Siliziumoxid (Quarzsand), ist eine der am häufigsten vorkommenden Substanzen in der Erdkruste. Tatsächlich ist auf der Erde und vielen außerirdischen Körpern neben Quarzsand Eis oder flüssiges Wasser die am häufigsten vorkommende Substanz. Daher bietet die Verwendung von Eis zur Herstellung optischer Fasern breite Anwendungsaussichten.

In dieser Studie baute das Team von Tong Liming ein eigenes Wachstumsgerät und verbesserte die bestehende Methode zur Herstellung von Eiskristallen durch elektrische Felder auf der Grundlage einer großen Anzahl von Experimenten. In einem elektrischen Feld mit niedriger Temperatur und hoher Spannung und unter bestimmten Feuchtigkeitsbedingungen wurde statische Elektrizität verwendet, um Wassermoleküle dazu zu bringen, sich in Richtung des elektrischen Felds zu bewegen, wodurch sich ihr ungeordneter Bewegungszustand änderte und das Wachstum eines Einkristalls herbeigeführt wurde. Schließlich gelang es, in einer Umgebung von -50 °C Mikro-Nano-Lichtwellenleiter aus Eis-Einkristallen mit Durchmessern von 800 Nanometern bis 10 Mikrometern herzustellen. Darüber hinaus nutzte das Team auch die neu erfundene Niedrigtemperatur-Mikro-Nano-Manipulations- und -Transfertechnologie, um der Eis-Mikro-Nano-Lichtleitfaser in einer Umgebung von -150 °C eine elastische Dehnung von 10,9 % zu verleihen, was nahe an der theoretischen Elastizitätsgrenze von Eis liegt.

Tong Limin ist davon überzeugt, dass die Ergebnisse dieser Studie das Verständnis der Menschen für Eis erweitern, sie dazu inspirieren werden, Forschungen zu eisbasierten optischen Fasern in der optischen Übertragung, optischen Sensorik und Eisphysik durchzuführen und mikro-nanoskalige eisbasierte Technologien zu entwickeln, die für spezielle Umgebungen geeignet sind.

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Photosynthese „loswerden“, um Stärke zu synthetisieren

Sparen Sie Ressourcen und verbessern Sie gleichzeitig die Produktionseffizienz

Am 23. September gab die Chinesische Akademie der Wissenschaften einen bedeutenden Erfolg bekannt. Forscher vom Tianjin Institute of Industrial Biotechnology haben eine bahnbrechende Methode zur Herstellung von Stärke vorgeschlagen. Bei dieser Methode wird nicht auf die Photosynthese der Pflanzen zurückgegriffen, sondern es werden Kohlendioxid und Wasserstoff, die durch Elektrolyse erzeugt werden, als Rohstoffe für die erfolgreiche Stärkeproduktion verwendet. Dies ist das erste Mal weltweit, dass die De-novo-Synthese von Kohlendioxid zu Stärke gelungen ist. Dadurch ist es möglich geworden, die Stärkeproduktion vom traditionellen landwirtschaftlichen Anbaumodell auf das industrielle Werkstattproduktionsmodell umzustellen. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden am 24. September online im Fachmagazin Science veröffentlicht.

Chinesischen Wissenschaftlern ist im Labor erstmals eine vollständige Synthese von Stärkemolekülen aus Kohlendioxid gelungen. Foto von Jin Liwang, Reporter der Nachrichtenagentur Xinhua

Stärke wird hauptsächlich von grünen Pflanzen durch Photosynthese synthetisiert, um Kohlendioxid zu fixieren. Bei Nutzpflanzen wie Mais sind für die Umwandlung von Kohlendioxid in Stärke mehr als 60 Stoffwechselreaktionen und komplexe physiologische Prozesse erforderlich. Der theoretische Wirkungsgrad der Sonnenenergienutzung liegt bei höchstens 2 %. Der Anbau von Nutzpflanzen erfordert einen Zyklus von mehreren Monaten und verbraucht große Mengen an Land, Süßwasser, Düngemittel und anderen Ressourcen.

Um die Produktionseffizienz zu verbessern, haben Forscher vom Tianjin Institute of Industrial Biotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften von Grund auf einen neuen Weg zur künstlichen Kohlendioxidfixierung und Stärkesynthese mit 11 Hauptreaktionen entwickelt und damit erstmals die vollständige Synthese von Kohlendioxid zu Stärkemolekülen im Labor erreicht. Die Stärkesyntheserate dieses künstlichen Weges ist 8,5-mal so hoch wie die von Maisstärke. Und unter der Voraussetzung einer ausreichenden Energieversorgung entspricht die jährliche Stärkeproduktion eines 1 Kubikmeter großen Bioreaktors gemäß den aktuellen technischen Parametern theoretisch der durchschnittlichen jährlichen Maisproduktion, die in meinem Land auf 5 Mu Land angebaut wird.

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Beweis der Kernvermutung der Kähler-Geometrie

Lösung eines 60 Jahre alten mathematischen Rätsels

Anfang November erzielten Professor Chen Xiuxiong, Gründungsdirektor des Zentrums für geometrische Physik an der University of Science and Technology of China, und sein Mitarbeiter Cheng Jingrui bahnbrechende Ergebnisse auf den Gebieten der partiellen Differentialgleichungen und der komplexen Geometrie. Sie lösten eine vollständig nichtlineare elliptische Gleichung vierter Ordnung, bewiesen erfolgreich die obligatorische Vermutung und die Vermutung der geodätischen Stabilität – zwei Kernvermutungen, die in der internationalen Mathematikergemeinschaft seit mehr als 60 Jahren offen sind – und lösten mehrere berühmte Probleme im Zusammenhang mit der konstanten Skalarkrümmungsmetrik und der Calabi-Extremummetrik auf Kähler-Mannigfaltigkeiten. Die beiden Arbeiten wurden in der international renommierten Fachzeitschrift Journal of the American Mathematical Society veröffentlicht.

Professor Chen Xiuxiong (Mitte), Gründungsdirektor des Zentrums für Geometrische Physik, und Cheng Jingrui (links). Foto von Tao Dongqing von Anhui.net

Die Existenz einer konstanten skalaren Krümmungsmetrik auf einer Kähler-Mannigfaltigkeit ist seit 60 Jahren eines der Kernprobleme der Geometrie. Es gibt drei bekannte Vermutungen über seine Existenz: die Stabilitätsvermutung, die Zwangsvermutung und die geodätische Stabilitätsvermutung. Nach fast zwanzigjähriger Arbeit vieler berühmter Mathematiker ist die Notwendigkeit der obligatorischen und geodätischen Stabilitätsvermutungen völlig klar geworden, doch der Beweis ihrer Zulänglichkeit galt zuvor als unerreichbar.

Indem wir eine Lösung für eine Klasse vollständig nichtlinearer elliptischer Gleichungen vierter Ordnung finden, können wir die Existenz einer konstanten skalaren Krümmungsmetrik beweisen. Die Arbeit von Chen Xiuxiong und Cheng Jingrui bewies die Existenz von Lösungen für diese Art von Gleichungen unter der Annahme von K-Energie-Zwang oder geodätischer Stabilität. Sie fanden nicht nur die Lösung der Gleichung, sondern entwickelten auch eine systematische Methode zur Untersuchung solcher Gleichungen und stellten damit ein neues Werkzeug zur Erforschung der unbekannten Welt der Mathematik bereit. Darüber hinaus lieferten sie einen Beweis der Stabilitätsvermutung über ringsymmetrische Kähler-Mannigfaltigkeiten, erweiterten Donaldsons klassischen Satz über ringsymmetrische Kähler-Flächen auf hohe Dimensionen und schlugen eine mögliche Lösung für den Beweis der allgemeinen Stabilitätsvermutung vor, die eine vollständige Lösung der allgemeinen Stabilitätsvermutung ermöglicht.

Quelle: Science and Technology Daily

◎ Du Peng, Praktikant bei Science and Technology Daily

Herausgeber: Zhang Qiqi

Rezension: Julie

Abschließende Rezension: Liu Haiying