Faszinierende Großforschung

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg gehört weltweit zu den ersten Adressen für Teilchenbeschleunigung.
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg gehört weltweit zu den ersten Adressen für Teilchenbeschleunigung. Daniel Bockwoldt/dpa
Deutschland bietet Wissenschaftlern eine hervorragende Infrastruktur für die Großgeräteforschung – vom Hochleistungsrechner bis zum Teilchenbeschleuniger. Die deutsche Forschung ist zudem in vielen internationalen Großforschungsprojekten aktiv.

Die Großgeräteforschung spielt in der deutschen Wissenschaftslandschaft eine wichtige Rolle. Dies gilt für die Grundlagenforschung wie für die Umsetzung von Erkenntnissen in Innovationen. Hochkomplexe Anlagen wie Hochleistungsrechner oder Teilchenbeschleuniger sind für die Erforschung der kleinsten Strukturen der Materie, aber auch zur Lösung globaler Fragen zu Klima, Umwelt oder alternativen Energien nötig. In Deutschland werden die Großforschungseinrichtungen von der staatlichen Helmholtz-Gemeinschaft betrieben, der größten Wissenschaftsorganisation in Deutschland.

Offen für internationale Wissenschaftler

Die Helmholtz-Zentren kooperieren eng mit Hochschulen und außeruniversitären Forschungseinrichtungen wie den Instituten der Max-Planck- und der Fraunhofer-Gesellschaft, der Leibniz-Gemeinschaft sowie mit der Wirtschaft. Ein herausragendes Beispiel einer solchen Kooperation ist die Experimentieranlage Wendelstein 7-X zur Erforschung der Kernfusionstechnik, die von dem der Helmholtz-Gemeinschaft assoziierten Max-Planck-Institut für Plasmaphysik betrieben wird. Promovierende und Wissenschaftler – auch aus dem Ausland – können sich für die Experimentierplätze an den zum Teil weltweit einzigartigen Anlagen der Helmholtz-Zentren anmelden. Die Großgeräte dienen so nicht nur der Grundlagenforschung und der angewandten Forschung, sondern auch dem Wissenschaftsaustausch. Mehr als 7.000 internationale Gastwissenschaftler kommen im Jahr an die Helmholtz-Zentren.

Die Einrichtungen der Helmholtz-Gemeinschaft sind so unterschiedlich wie die Forschungsarbeit in ihren sechs Forschungsfeldern. Zum Bereich Erde und Umwelt gehört die deutsche Forschungsflotte, darunter das modernste Forschungsschiff der Welt „Sonne“. Die Themen der Forscherinnen und Forscher an Bord des schwimmenden Labors kreisen vor allem um den Klimawandel und den Schutz der Ökosysteme in den Meeren. An Messstationen und Laboreinheiten wie der Polarstation Neumayer Station III in der Antarktis und der Modular Earth Science Infrastructure (MESI) am Deutschen Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam wird vor allem die Komplexität des Systems Erde erforscht. Die Forscher wollen klimatische und geologische Veränderungen besser verstehen und entwickeln Konzepte zum Schutz vor Erdbeben oder Tsunamis.

Kosmos und Mikrokosmos

In dem großen Forschungsbereich Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr liegt die Federführung beim Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Köln, das 33 Institute unterhält. Das DLR hat großen Anteil an der „Mission Rosetta“ der Europäischen Weltraumorganisation (ESA). Es war für den Bau der Landeeinheit Philae und das Kontrollzentrum zuständig, das 2014 die erste Landung auf einem Kometen überwachte. Zu den zahlreichen Infrastrukturen des DLR gehören auch Windtunnel zum Test von Flugzeugmodellen unter annähernd realen Bedingungen und Forschungsflugzeuge wie HALO, das in der Atmosphärenforschung unterwegs ist.

Die Vielfalt des Mikrokosmos erkunden hingegen Wissenschaftler am renommierten Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg, das weltweit zu den ersten Adressen für Teilchenbeschleunigung gehört. Mit DESY-Großgeräten wird das Wechselspiel der kleinsten Elementarteilchen erforscht oder das Verhalten neuer Nanowerkstoffe. Großbeschleuniger PETRA III auf dem DESY-Campus gilt als die leistungsstärkste Speicherring-Röntgenstrahlungsquelle der Welt. Ab 2017 wird der europäische Röntgenlaser XFEL die intensivsten Röntgenblitze aller Zeiten erzeugen.

Simulationen mit Höchstleistungsrechnern sind für viele Erkenntnisprozesse entscheidend. Einer der Computer, der den Vorstoß in Grenzbereiche ermöglicht, ist JUQUEEN am Forschungszentrum Jülich. Europas erster Supercomputer hat eine maximale Rechenleistung von 5,9 Petaflops – das entspricht fast 6 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde. Sie wird zum Beispiel für die Arbeiten am Human Brain Project gebraucht. Das ehrgeizige Forschungsprojekt der Europäischen Union will das gesamte Wissen über das menschliche Gehirn zusammenfassen und mit computerbasierten Simulationen nachbilden. Sein Standort, das staatliche Forschungszentrum Jülich, ist ein weiterer Topstandort deutscher Grundlagenforschung und eines der größten Forschungszentren Europas. Seine rund 5.800 Mitarbeiter forschen zu Themen der Physik und Informatik, interdisziplinär auch zu Gesundheit, „Information und Gehirn“ sowie zu „Energie und Umwelt“.

Internationale Perspektiven

Im internationalen Rahmen beteiligt sich Deutschland an diversen Großforschungsprojekten. So trägt das Land mit rund 20 Prozent den stärksten Anteil zum Haushalt der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) in Genf, Schweiz, bei. Am CERN ist der mit 27 Kilometern größte Teilchenbeschleuniger im Einsatz. Mehr als 1.000 Forscher aus Deutschland sind an CERN-Experimenten beteiligt.

Des weiteren ist Deutschland maßgeblich beteiligt an den beiden Großforschungsanlagen mit Sitz in Grenoble, dem ILL (Institut Laune-Langevin) mit seinem Höchstflussreaktor und an der European Synchotron Radiation Facility (ESRF). Das ILL gilt als weltweit herausragendes Zentrum für Neutronenforschung . Das ESFR ist die weltweit stärkste Röntgenstrahlanlage.

An der Europäische Südsternwarte (ESO), der führenden europäischen Organisation für astronomische Forschung, ist Deutschland zusammen mit 15 weiteren Ländern beteiligt. Die Teleskope der ESO befinden sich an drei Standorten in der Atacama-Wüste in Chile. Von hier aus werden Objekte in weit entfernten Teilen des Universums studiert.

Deutschland ist zudem wichtigster europäischer Partner der Internationalen Raumstation (ISS). Als größter Beitragszahler finanziert Deutschland rund 40 Prozent des ESA-Programms zum Betrieb der ISS und trägt so entscheidend zur wissenschaftlichen Nutzung der Raumstation bei. Das DLR koordiniert die deutschen Beiträge. Als ESA-Mitglied beteiligt sich Deutschland auch am ExoMars-Programm. Die erste Mission der europäisch-russischen Kooperation startete im März 2016 und brachte einen Forschungssatelliten und einen Landedemonstrator auf den Weg zum Mars. 2018 wird dann ein Rover auf dem Planeten abgesetzt. Unter anderem soll die Marsoberfläche nach Spuren von Leben untersucht werden.

Blick nach vorn

Ende 2016 soll in Jordanien das multilaterale Forschungszentrum „Synchrotron- Light for Experimental Science and Applications in the Middle- East“ (SESAME) in Betrieb genommen werden. Mit Hilfe einer Synchrotronlichtquelle der dritten Generation können an ihm atomare Details aufgeschlüsselt und nicht sichtbare Strukturen entdeckt werden. Den Grundstein zum Bau der von der UNESCO initiierten Anlage legt ein von Deutschland 2007 kostenlos zur Verfügung gestellter Elektronenspeicherring.

Seit 2009 wird in Hamburg der Europäische Freie-Elektronen-Laser XFEL gebaut, der 2017 in Betrieb genommen werden soll. Mit seinen ultrakurzen Laserlichtblitzen im Röntgenbereich bietet er Wissenschaftlern weltweit einzigartige Forschungsmöglichkeiten. Mit Hilfe der Röntgenblitze können unter anderem atomare Details von Viren und Zellen entschlüsselt sowie dreidimensionale Aufnahmen aus dem Nanokosmos gemacht werden. Deutschland ist größter Anteilhaber an dem internationalen Projekt und verwaltet den Bau und Betrieb der Anlage.

Das internationale Beschleunigerzentrum FAIR wird derzeit in Darmstadt erbaut und soll 2022 den Betrieb aufnehmen. Es ist eines der weltgrößten Projekte zur physikalischen Grundlagenforschung, beteiligt sind zehn Länder. Mit Hilfe von hochintensiver Antiprotonen- und Ionenstrahlung sollen der Aufbau von Materie und die Entstehung des Universums genauer erforscht werden und Kapazitäten für ca. 3.000 Forscher aus verschiedensten Ländern bereitstehen.