Fascynujące projekty badawcze na wielką skalę

Niemiecki Synchrotron Elektronowy (DESY) w Hamburgu należy do czołowych ośrodków na świecie w dziedzinie badań akceleratorów cząstek.
Niemiecki Synchrotron Elektronowy (DESY) w Hamburgu należy do czołowych ośrodków na świecie w dziedzinie badań akceleratorów cząstek. Daniel Bockwoldt/dpa
Republika Federalna Niemiec oferuje naukowcom doskonałą infrastrukturę do badań z wykorzystaniem wielkiej aparatury badawczej – poczynając od wysokowydajnych komputerów aż do akceleratorów cząstek. Niemieccy naukowcy uczestniczą ponadto aktywnie w wielu szeroko zakrojonych międzynarodowych projektach badawczych.

Projekty naukowo-badawcze prowadzone na wielkich urządzeniach odgrywają szczególną rolę w niemieckim krajobrazie naukowym. Dotyczy to zarówno badań podstawowych jak i transferu zdobytej wiedzy do sfery innowacji.

Urządzenia o wysokim stopniu kompleksowości jak wysokowydajne komputery czy akceleratory cząstek potrzebne są zarówno do badań najdrobniejszych struktur materii jak i do rozwiązywania globalnych problemów klimatycznych, środowiskowych czy związanych z alternatywnymi źródłami energii. Wielką aparaturą badawczą dysponuje w Niemczech państwowa Wspólnota Niemieckich Centrów Badawczych im. Hermanna von Helmholtza, największa organizacja naukowa w Niemczech.

Otwartość wobec naukowców z zagranicy

Centra im. Helmholtza prowadzą ścisłą współpracę ze szkołami wyższymi, z pozauniwersyteckimi instytucjami naukowo-badawczymi, takimi jak Instytuty Towarzystwa im. Maxa Plancka, Towarzystwo Wspierania Badań Stosowanych im. Josepha Frauennhofera, Wspólnota Naukowa im. Gottfrieda Wilhelma Leibniza, a także z instytucjami gospodarki. Wyśmienitym przykładem takiej kooperacji jest eksperymentalne urządzenie Wendelstein 7-X do badań techniki fuzji jądrowej, wykorzystywane przez zrzeszony we Wspólnocie Helmtholtza Instytut Fizyki Plazmowej im. Maxa Plancka. O miejsca na pobyty badawcze dla naukowców-eksperymentatorów w Centrach im. Helmholtza przy często unikalnych w skali światowej urządzeniach mogą ubiegać się doktoranci i naukowcy – także z zagranicy. Wielkie urządzenia badawcze przyczyniają się w ten sposób nie tylko do rozwoju badań podstawowych i stosowanych, lecz również sprzyjają wymianie naukowej. Corocznie do Centrów im. Helmholtza przybywa ponad 7 tys. naukowców wizytujących z zagranicy.

Placówki Wspólnoty im. Helmholtza są tak różnorodne jak prace badawcze przeprowadzane w sześciu sektorach badawczych. Do sektora badawczego „ziemia i środowisko” należy niemiecka flota badawcza, a wśród niej najnowocześniejszy na świecie statek badawczy FS „Sonne”. Tematyka, którą zajmują się naukowcy przebywający na pokładzie tego pływającego laboratorium, oscyluje przede wszystkim wokół zmian klimatycznych oraz ochrony ekosystemów morskich. W stacjach pomiarowych i laboratoriach, takich jak stacja polarna Neumayer III na Antarktydzie oraz Modular Earth Science Infrastructure (MESI) w Niemieckim Centrum Badań Geologicznych (GFZ) w Poczdamie, bada się przede wszystkim złożoność systemu Ziemia. Celem naukowców jest lepsze zrozumienie zachodzących zmian klimatycznych i geologicznych oraz wypracowanie rozwiązań służących ochronie przed trzęsieniami ziemi i tsunami.

Kosmos i mikrokosmos

W szerokiej działalności badawczej, której przedmiotem jest lotnictwo, podróże w kosmos oraz komunikacja, prym wiedzie Niemieckie Centrum Lotnictwa i Lotów w Kosmos (DLR) w Kolonii, skupiające 33 instytuty badawcze. Centrum DLR ma znaczący udział w „Misji Rosetta” realizowanej przez Europejską Agencję Kosmiczną (ESA). Było ono odpowiedzialne za budowę lądownika Philae i Centrum Kontroli Lądownika, które w roku 2014 nadzorowało pierwszy w historii manewr lądowania na komecie. Do licznych elementów infrastruktury badawczej Centrum DLR zalicza się również tunel aerodynamiczny do testowania modeli samolotowych w warunkach zbliżonych do rzeczywistych oraz samoloty badawcze, jak np. HALO, który aktualnie bierze udział w badaniach atmosfery ziemi.

Z kolei różnorodność mikrokosmosu badana jest przez naukowców w renomowanym Niemieckim Synchrotronie Elektronowym (DESY) w Hamburgu, który jest jednym z najważniejszych na świecie ośrodków badawczych w zakresie techniki akceleracji cząstek. Dzięki zastosowaniu dużych urządzeń w ośrodku DESY badane jest wzajemne oddziaływanie na siebie najmniejszych cząstek elementarnych czy też zachowanie się nowych nanomateriałów. Duży akcelerator PETRA III znajdujący się w DESY uchodzi za najwydajniejszy na świecie pierścień akumulacyjny stanowiący źródło promieniowania rentgenowskiego. Od roku 2017 europejski laser rentgenowski XFEL będzie generował najbardziej intensywne wiązki rentgenowskie wszechczasów.

Symulacje przeprowadzane na wysokowydajnych komputerach są decydujące w wielu procesach poznawczych. Jednym z takich komputerów pozwalającym sięgnąć granic możliwości jest JUQUEEN w Ośrodku Badawczym w Jülich. Pierwszy europejski superkomputer osiąga maksymalną moc obliczeniową 5,9 petaflops – co odpowiada niemal sześciu biliardom operacji rachunkowych na sekundę. Moc taka jest potrzebna na przykład w pracach w ramach inicjatywy Human Brain Project. Ten ambitny projekt badawczy Unii Europejskiej zamierza zgromadzić całą wiedzę na temat mózgu ludzkiego i odtworzyć go przy pomocy symulacji komputerowych. Miejsce jego lokalizacji – państwowy Ośrodek Badawczy w Jülich -  to kolejne flagowe miejsce niemieckich badań podstawowych i jedno z największych centrów badawczych w Europie. Około 5800 pracowników tego ośrodka prowadzi badania naukowe z zakresu fizyki i informatyki, a także badania interdyscyplinarne w dziedzinie zdrowia, „informacji i mózgu” oraz „energii i środowiska”.

Międzynarodowe perspektywy

W ramach współpracy międzynarodowej Republika Federalna Niemiec angażuje się w wiele ważnych projektów badawczych. Kraj ten ma największy - stanowiący prawie 20 procent - udział w budżecie Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN), posiadającej swoją siedzibę w Genewie w Szwajcarii. W ośrodku CERN znajduje się największy akcelerator cząstek o długości 27 kilometrów. W eksperymentach badawczych przeprowadzanych w CERN uczestniczy ponad 1000 naukowców z Niemiec.

Ponadto Niemcy mają swój znaczący udział w obu wielkich ośrodkach badawczych znajdujących się w Grenoble, t.j. w ILL (Instytut Laue-Langevina) dysponującym wysokostrumieniowym reaktorem oraz w Europejskim Laboratorium Promieniowania Synchrotronowego (ESRF).
Ośrodek badań neutronowych ILL znany jest ze swoich osiągnięć na całym świecie. Natomiast ESFR to najsilniejsze na świecie źródło promieniowania rentgenowskiego.

Europejskie Obserwatorium Południowe (ESO) to czołowa organizacja europejska zajmująca się badaniami astronomicznymi. Jej członkami są Niemcy oraz 15 innych krajów. Teleskopy ESO znajdują się w trzech miejscach na pustyni Atacama w Chile. Stąd prowadzi się obserwacje obiektów zlokalizowanych w najbardziej odległych częściach wszechświata.

Republika Federalna Niemiec to również najważniejszy europejski partner Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Jako największy płatnik składek członkowskich finansuje ona w około 40 procentach program Europejskiej Agencji Kosmicznej ESA umożliwiający utrzymanie Stacji ISS i ma tym samym decycujący wpływ na wykorzystanie stacji kosmicznej do celów naukowych. Niemieckie Centrum DLR koordynuje współudział Niemiec. Jako członek ESA Niemcy partycypują również w programie ExoMars. Pierwsza misja kooperacji europejsko-rosyjskiej wystartowała w marcu 2016 r. wystrzeliwując na Marsa sondę badawczą i lądownik. Tam też w 2018 r. ma zostać także osadzony łazik, przy pomocy którego planuje się zbadać powierzchnię Marsa pod kątem istnienia śladów życia.

Spojrzenie w przyszłość

Pod koniec 2016 r. przewiduje się w Jordanii otwarcie multilateralnego centrum badawczego „Synchrotron - Light for Experimental Science and Applications in the Middle-East“ (SESAME). Przy użyciu synchrotronowego źródła światła trzeciej generacji możliwe tam będzie rozwikłanie szczegółów budowy atomu i odkrycie niewidocznych struktur. Kamieniem węgielnym dla budowy tego ośrodka zainicjowanego przez UNESCO było bezpłatne udostępnienie przez Republikę Federalną Niemiec elektronowego pierścienia akumulacyjnego w roku 2007.

Od roku 2009 w Hamburgu trwają prace nad budową europejskiego laseru na swobodnych elektronach XFEL. Jego uruchomienie planowane jest na rok 2017. Generowane przez niego ultraktótkie błyski laserowe promieniowania rentgenowskiego stworzą naukowcom niepowtarzalne na świecie możliwości badawcze. Przy pomocy tych błysków laserowych będzie można między innymi wnikać szczegółowo w atomową strukturę wirusów i komórek oraz wykonywać trójwymiarowe zdjęcia obiektów nanoświata. RFN ma największy udział w tym międzynarodowym projekcie i zarządza budową oraz eksploatacją urządzenia.

Międzynarodowy ośrodek badawczy akceleratora FAIR powstaje obecnie w Darmstadt, a jego uruchomienie przewiduje się na rok 2022. W tym jednym z największych projektów na świecie, którego celem są badania podstawowe w dziedzine fizyki uczestniczy dziesięć krajów. Zastosowanie wysoce intensywnych strumieni antyprotonów i jonów ma umożliwić szczegółowe zbadanie podstawowej struktury materii oraz uzyskanie odpowiedzi na pytanie jak powstał wszechświat. Projekt ten zapewni możliwości badawcze dla 3000 naukowców z różnych krajów.