迷人的大科学研究

设在汉堡的德国电子同步加速器研究所(DESY)拥有全球最先进的粒子加速设施之一。
设在汉堡的德国电子同步加速器研究所(DESY)拥有全球最先进的粒子加速设施之一。 Daniel Bockwoldt/dpa
德国向科学家提供开展大型设备研究的基础设施 -- 从高性能计算机到粒子加速器。同时,德国科研界也活跃在许多国际大科学研究项目中。

利用大型设备开展的研究,在德国科研中居于重要地位。其中既包括基础研究,也包括创新知识的运用。高度复杂的设备,如高性能计算机或是粒子加速器,无论在物质最小结构的研究中,还是在气候、环境或替代能源等全球问题的解决方案的寻找中,都必不可少。 德国的大型研究设施由国家级的亥姆霍兹联合会运作,它是德国最大的科研组织。

向国际科研人员开放

亥姆霍兹联合会下的各个研究中心与高校和马克斯-普朗克学会弗劳恩霍夫协会莱布尼茨学会等科研机构以及经济界密切合作。这类合作的一个杰出范例是研究核聚变技术的文德尔施泰因7-X实验设备,它由亥姆霍兹联合会协同马克斯-普朗克等离子体物理研究所运作。博士生与科研人员 -- 其中包括来自国外的,可以向亥姆霍兹研究中心报名申请这个在某些方面堪称全球独一无二设备的实验位置。因此大型设备不仅服务于基础研究和应用研究,同时还服务于科学交流。每年有超过7000名国际客座研究人员来到亥姆霍兹研究中心。

亥姆霍兹联合会的科研工作分为六大研究领域,其科研设施也因此非常多样化。地球与环境领域有德国科考船队,其中包括世界上最先进的科考船“太阳号”。科研人员在这个漂浮的实验室里研究的项目主要围绕气候变化及海洋生态环境保护。而在测量站和实验室,例如南极洲的诺伊迈尔三号科考站和德国波茨坦地学研究中心(GFZ)的模块化地球科学基础设施(MESI),则主要研究地球系统的复杂性。科研人员希望更好地认识气候与地质变化,并为地震或海啸预防制定方案。

宇宙与微观世界

在航空航天与交通这一大型研究领域,领军的是总部设在科隆的德国航空航天中心(DLR),该机构旗下有33个研究所。DLR承担了欧洲航天局(ESA)的“罗塞塔使命”的很大一部分工作,负责登陆器菲莱的建造和控制中心,该控制中心于2014年监控了菲莱在彗星上的第一次登陆。DLR拥有大量基础设施,其中也包括用于在近似现实条件下测试飞机模型的风洞,以及科研飞机如用于研究大气的HALO。

微观世界多样性的研究则在德国电子同步加速器研究所(DESY)开展,该机构设在汉堡,拥有全球最先进的粒子加速设施之一。借助DESY的大型设备,可以探究最微小的粒子之间的相互作用,或是新型纳米材料的特性。DESY园内的大型加速器PETRA III被视为世界最强的储存环X射线源。2017年起,欧洲X射线自由电子激光XFEL将产生有史以来最亮的X光束。

通过高性能计算机进行模拟,这一步骤对于许多认知过程来说都是决定性的。于利希研究中心(FZJ)的JUQUEEN就是帮助突破极限的计算机之一。这是欧洲第一台超级计算机,最快运算速度可达5.9 Petaflops,也就是每秒近6千万亿次运算。它可以用于如人类大脑工程(Human Brain Project)的工作。欧盟这一雄心勃勃的研究项目希望汇总关于人类大脑的所有知识,并借助计算机模拟对此进行仿制。该项目的所在地是国家级的于利希研究中心,这是又一个德国基础研究要地,也是欧洲最大的科研中心之一。该中心约5800名员工从事物理与信息学课题的研究,也进行健康、“信息与大脑”和“能源与环境”等方面的跨学科研究。

国际视角

在国际上,德国参与各种不同的大科学研究项目。德国承担了设在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN)预算的20%,是承担经费份额最多的国家。CERN运行一台27公里的粒子加速器。超过1000名德国研究人员参与CERN的实验。

此外,德国还领衔参与了设在格勒诺布尔的另外两个大科学研究设施,一个是拥有高通量核反应堆的ILL(劳厄-朗之万研究所),另一个是欧洲同步辐射装置(ESRF)。ILL被视为世界中子研究的杰出中心,ESRF则是全球最强的X射线装置。

欧洲南方天文台(ESO)是欧洲天文学研究的领先组织,德国与15个国家共同参与其中。ESO的望远镜建在智利阿塔卡马沙漠的三个地点,从这里探索宇宙中遥远的星体。

德国也是国际空间站(ISS)最重要的欧洲合作伙伴。德国承担欧洲航天局(ESA)ISS运行项目近40%的资金,是最大的缴费国,从而也为空间站的科研利用做出决定性的贡献。作为ESA成员国,德国还参与ExoMars火星探测器项目。这一欧俄合作项目的第一项使命于2016年3月启动,把一颗科研卫星和一个登陆式观测站送上前往火星的旅程。而后将在2018年向火星发射一辆火星车。任务包括在火星表面寻找生命痕迹等。

展望未来

2016年底,多边合作的研究中心“中东同步加速器辐射促进实验科学及应用科学国际中心”(SESAME)将投入运行。该中心拥有第三代同步辐射光源,可以探索原子的细节,发现不可见的结构。这个设施由联合国教科文组织发起建设,它的奠基石则是2007年德国无偿提供的电子储存环。

欧洲自由电子激光装置XFEL于2009年开始在汉堡建造,将于2017年投入使用。它可产生X射线范围的超短波激光束,将为全球科研人员带来独一无二的研究可能性。借助X射线光束,可以看到病毒和细胞的原子细节,还可以对纳米世界进行三维摄影。德国是这一国际性项目的最大参与者,并负责管理该装置的建设与运行。

国际加速器中心FAIR(反质子和离子研究装置)目前正在达姆施塔特建设,将于2022年投入运行。它是全球最大的物理基础研究项目,有10个国家参与。借助高强度的反质子与离子射线,将可更精确地研究物质的结构和万物的起源,并为来自不同国家的约3000名科研人员提供研究条件。