Der Forschungsbereich "Schlüsseltechnologien" (ab 2021 Information)

Beteiligte Helmholtz-Zentren

• Forschungszentrum Jülich (FZJ)
• Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG)
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Programme: Der Forschungsbereich bündelt seine Aktivitäten ab 2015 in den folgenden neun Programmen:

• Supercomputing & Big Data
• Future Information Technology - Fundamentals, Novel Concepts, and Energy Efficiency (gemeinsames Programm mit dem Forschungsbereich Energie)
• Science and Technology of Nanosystems
• Advanced Engineering Materials
• BioSoft - Fundamentals for future Technologies in the fields of Soft Matter and Life Sciences
• BioInterfaces in Technology and Medicine
• Decoding the Human Brain
• Key Technologies for the Bioeconomy
• Technology, Innovation and Society (gemeinsames Programm mit dem Forschungsbereich Energie)

Wissenschaftliche Herausforderungen

Die Wissenschaftler im Forschungsbereich Schlüsseltechnologien erforschen und entwickeln generische Technologien, um grundlagennah und anwendungsoffen ein Instrumentarium zu schaffen, welches entlang der neuen Hightech-Strategie und weiteren für die Helmholtz-Gemeinschaft relevanten Programmen der Bundesregierung Antworten für die prioritären Zukunftsaufgaben für Wohlstand und Lebensqualität ermöglicht.

Durch die Integration neuer interdisziplinärer Strukturen, beispielsweise durch die Verknüpfung von Technologie und Medizin, Biologie und Physik, Simulation und Big Data oder Supercomputing und Hirnforschung, wird zukünftig die sehr erfolgreiche Entwicklung von Zukunftstechnologien auf den Bereich Medizin und weitere Felder der Lebenswissenschaften ausgedehnt. Die neun Programme des Forschungsbereichs Schlüsseltechnologien wirken multidisziplinär zusammen, sind anwendungsoffen und tragen mit ihrer hohen Innovationskraft zur Stärkung des Wirtschaftsstandorts Deutschland bei.

Modernste Forschungsinfrastrukturen (Großgeräte und Technologieplattformen) werden einer breiten internationalen Nutzergemeinde, auch außerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft, zur Verfügung gestellt und durch eigene Forschung wissenschaftlich weiterentwickelt.

Gutachteraussagen und Empfehlungen zum gesamten Forschungsbereich Schlüsseltechnologien

Die Gutachter schätzten im internationalen und nationalen Vergleich die wissenschaftliche Qualität aller am Forschungsbereich "Schlüsseltechnologien" beteiligten Programme als exzellent ein und wiesen auf deren besondere strategische Relevanz für Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft hin. Die Hinweise und Empfehlungen der Gutachtergruppen sind für die künftige Entwicklung der Programme von großem Wert. Die Gutachter stellten einige übergreifende Stellungnahmen und Empfehlungen heraus, darunter:

Technologietransfer: Trotz der exzellenten wissenschaftlichen Leistungen der Programme des Forschungsbereichs Schlüsseltechnologien, ist das Potenzial des Transfers wissenschaftlicher Leistungen mit industriellen Partnern noch nicht voll ausgeschöpft. Daher haben die Gutachter empfohlen, in der nächsten Programmperiode eine entsprechende Strategie zu entwickeln, die den wissenschaftlichen Austausch und die Förderung von Innovationen mit industriellen Partnern befördert.

Talentmanagement: Dem Forschungsbereich wurde empfohlen, weitere Anstrengungen zu unternehmen, um mehr weibliche Talente und auch mehr Spitzenkräfte aus dem Ausland für die Programminhalte zu begeistern.

Empfehlungen zur Finanzierung durch den Helmholtz-Senat

Für 2015 sind für den Forschungsbereich Schlüsseltechnologien Zuwendungen in Höhe von 260 Millionen Euro geplant. Jährlich ist in der fünfjährigen Förderperiode ein Aufwuchs von drei Prozent vorgesehen. Davon wird neben der Stärkung der Programme in das Berlin-Brandenburger Centrum für Regenerative Therapien investiert - ein gemeinsames klinisches Translationszentrum des Helmholtz-Zentrum Geesthacht (Standort Teltow) und der Charité-Universitätsmedizin Berlin.

Wesentliche Schwerpunkte und Gutachteraussagen zu den einzelnen Programmen im Forschungsbereich

Supercomputing & Big Data

Gutachtervorsitzender: Prof. Thom H. Dunning, Jr., University of Washington, USA

Die Helmholtz-Zentren Forschungszentrum Jülich und Karlsruher Institut für Technologie tragen zu dem Programm Supercomputing & Big Data bei. Das Hauptziel des Programms ist es, im Rahmen nationaler und europäischer Strukturen unverzichtbare Instrumente und Infrastrukturen des Höchstleistungsrechnens und für das Management und die Analyse großskaliger Datenbestände für die deutsche und europäische Wissenschaft zur Verfügung zu stellen. Sowohl das Supercomputing als auch das Management und die Analyse großer Datenmengen (Big Data) haben sich für die theoretische und experimentelle Forschung sowie für die industrielle Produkt- und Produktionsoptimierung zu einer strategischen Schlüsseltechnologie entwickelt. Die stetig wachsende Komplexität der in Wissenschaft und Technik untersuchten Systeme und Prozesse spiegelt sich dabei in immer größeren Anforderungen wider, die an die Systeme und Methoden gestellt werden.

Die Gutachtergruppe war beeindruckt von dem exzellenten und kohärenten Programm, das auch international sehr anerkannt sei. Die Verknüpfung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten mit den bedarfsorientierten "Simulation Laboratories" und den Rechnerarchitekturen mache den Erfolg des Programms aus. Zur Förderung des vergleichsweise jungen Forschungsfeldes Big Data und zur Bündelung der Helmholtz-weiten Aktivitäten empfahl die Gutachtergruppe, eine übergreifende Strategie zu entwickeln.

Kontakt: Programmsprecher: Prof. Dr. Dr. Thomas Lippert, Forschungszentrum Jülich; Pressestelle: Anne Rother, Telefon: 02461 / 61-4661, a.rother@fz-juelich.de

Future Information Technology (FIT) - Fundamentals, Novel Concepts, and Energy Efficiency

Gutachtervorsitzender: Prof. A. Paul Alivisatos, Lawrence Berkeley National Laboratory, USA

Zu diesem forschungsbereichsübergreifenden Programm, das die Forschungsbereiche Schlüsseltechnologien und Energie verbindet, tragen das Forschungszentrum Jülich und das Helmholtz-Zentrum Berlin bei. Der Energieverbrauch von Informations- und Kommunikationstechnologien ist in den letzten Jahren signifikant gestiegen. Forschungsziel ist es daher, mittels neuer innovativer Forschungsansätze Rechenleistung, Datenspeicherdichten und Datenübertragungsraten von Informationstechnologien zu erhöhen und gleichzeitig den Bedarf an elektrischer Energie drastisch zu reduzieren. Hierzu verfolgt das Programm zwei Ansätze: Zum einen werden grundlegend neue Ansätze festkörperbasierter Technologien erforscht und neuartige Strategien untersucht, um für zukünftige Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz zu erreichen und den Energieverbrauch zu senken. Zum anderen beschäftigt sich das Programm punktuell mit auf Materialeffekten basierenden Eigenschaften zur Energiegewinnung, -umwandlung und -speicherung. Das Gutachtergremium bescheinigte dem Programm eine exzellente in Teilen sogar herausragende wissenschaftliche Qualität. Sie wiesen ebenfalls auf die hohe strategische Relevanz des Programms für Gesellschaft und Wirtschaft hin. Auch im internationalen Vergleich seien Teile des Programms weltweit führend. Die Erforschung von energieeffizienten Informationstechnologien sei hoch aktuell. Die Gutachter regten an, die theoretischen Bemühungen innerhalb des Programms noch weiter zu intensivieren und die bestehenden Synergien zwischen einigen Programmthemen noch stärker auszunutzen, um die Weiterentwicklung des Programms zu befördern.

Kontakt: Programmsprecher: Prof. Dr. Rainer Waser, Forschungszentrum Jülich; Pressestelle: Anne Rother, Telefon: 02461 / 61-4661, a.rother@fz-juelich.de

Science and Technology of Nanosystems (STN)

Gutachtervorsitzender: Prof. Jean-Philippe Bourgoin, CEA et aux energies alternatives, Frankreich

An diesem Programm ist das Karlsruher Institut für Technologie beteiligt. Dem Programm assoziiert ist die Forschungsinfrastruktur Karlsruher Nano Micro Facility (KNMF). Ziel des Programms ist es, Nanosysteme mit einzigartiger Funktionalität zur erforschen und zu entwickeln. Die beteiligten Wissenschaftler verfolgen die Vision einer gezielten Gestaltung und Kontrolle von Materialien - von der atomaren und molekularen über die nano- und mikroskalige bis hin zur makroskaligen Dimension. Grundlagenforschung zu kondensierter Materie ermöglicht die Erarbeitung von grundlegenden Konzepten der Nanotechnologie. Themen wie gedruckte Materialien, Nanokatalyse und Teratronik besetzen sowohl theoretische und experimentelle Grundlagenforschung wie auch die Entwicklung von Komponenten und kompletten Systemen. Nanofabrikation mit atomarer Präzision ist ein interdisziplinärer Ansatz, in dem theoretische Modellierung, chemische Synthese und Prozesstechnologie zusammengeführt werden, um eine ausreichende Basis der Materialherstellung für Anwendungen zu gewährleisten.

Die wissenschaftliche Qualität des Programms wurde von dem Gutachtergremium als exzellent eingeschätzt. Die Anbindung des Programms an den Forschungsbereich Schlüsseltechnologien sowie an die Helmholtz-Mission sei ebenfalls hervorragend. Zur weiteren Stärkung des Programms wurde angeregt, die Vernetzung mit anderen Programmen des Forschungsbereichs aber auch darüber hinaus weiter zu intensivieren. Die enge Anbindung der KNMF an das Programm ermögliche Synergien hervorragend auszunutzen und führe dazu, dass das KIT eine weltweit führende Position im Bereich Nanotechnologieforschung einnehmen könne.

Kontakt: Programmsprecher: Prof. Dr. Horst Hahn, Karlsruher Institut für Technologie; Pressestelle: Monika Landgraf, Telefon: 0721 / 608-47414, monika.landgraf@kit.edu 

Advanced Engineering Materials (AEM)

Gutachtervorsitzender: Prof. Matthias Kleiner, Leibniz-Gemeinschaft, Deutschland

Das Programm wird vom Helmholtz-Zentrum Geesthacht gestaltet. Die Wissenschaftler dieses Programms adressieren Herausforderungen zur Entwicklung von Werkstoffen und Materialien, einschließlich der erforderlichen Prozesstechnologien, die für die Realisierung von Leicht-Materialien mit gleichzeitig herausragenden mechanischen sowie funktionalen Eigenschaften erforderlich sind. Zur Erreichung dieser Ziele ist eine kontinuierliche Arbeit entlang des ganzen Spektrums der Materialentwicklung notwendig - von der Grundlagenforschung über die Modellierung und Charakterisierung bis zur Skalierung auf anwendungsrelevante Maßstäbe in den Prozesstechnologien.

Das Gutachtergremium war überzeugt, dass die wissenschaftliche Qualität des Programms im nationalen und internationalen Vergleich exzellent und das Programm von hoher strategischer Relevanz sei. Die Produktivität des Programms sei sehr hoch und es sei zu erwarten, dass die Forschung zukünftig signifikante Beiträge zur Lösung gesellschaftlicher Herausforderungen liefern wird. Um auch zukünftig die Qualität halten bzw. weiter ausbauen zu können, wurde dem Programm empfohlen, einen so genannten Foresight-Prozess zu etablieren, um zukunftsträchtige Forschungs- und Themenfelder im Bereich neuer Materialien und/oder Materialkombinationen zu identifizieren und aufzugreifen. Auch sollte die Integration risikoreicher Forschungsthemen befördert werden.

Kontakt: Programmsprecher: Prof. Dr. Norbert Huber, Helmholtz-Zentrum Geesthacht; Pressestelle: Torsten Fischer, Telefon: 04152 / 87-1677, torsten.fischer@hzg.de

BioSoft - Fundamentals for future Technologies in the fields of Soft Matter and Life Sciences

Gutachtervorsitzende: Prof. Brigitte Voit, Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V. (IPF), Deutschland

Ziel des Programms, zu dem das Forschungszentrum Jülich beiträgt, ist zum einen die Realisierung von nanostrukturierten funktionalen Materialien und zum anderen die Entwicklung von wissensbasierten Strategien zur Krankheitstherapie. Hierzu arbeiten Wissenschaftler aus verschiedenen Disziplinen - Physik der weichen Materie, Strukturbiologie und Zellbiologie - zusammen, so dass sich dem avisierten Ziel von drei Seiten genähert werden kann. Während die Erforschung der Physik der weichen Materie vereinfachte (biomimetische) Modellsysteme sowie Untersuchungsmethoden und Instrumente liefert, die für ein quantitatives Verständnis komplexer, synthetischer- und bio-makromolekularer Systeme unerlässlich sind, ermöglichen die strukturbiologischen Untersuchen und die molekulare Biophysik einen tiefen Einblick in die Struktur und Dynamik der Proteine. Hingegen untersucht die Biophysik der Zelle das funktionelle Zusammenspiel vieler Komponenten auf dem Niveau von Zellen, um zu verstehen, nach welchen Prinzipien lebende Zellen physikalische Signale wahrnehmen und verarbeiten.  

Das Gutachtergremium hob die wissenschaftliche Qualität und strategische Relevanz des Programms hervor. Es begrüßte die neue Programmthemenstruktur als deutlich positive Entwicklung des Programms im Vergleich zur vorherigen Förderperiode. Die Zusammenarbeit zwischen den einzelnen Programmthemen und beteiligten Instituten wurde signifikant verstärkt. Zur Bündelung der Helmholtz-weiten Soft-Matter Aktivitäten wurde von der Gutachtergruppe empfohlen, eine Strategie zur Zusammenführung der Soft-Matter Aktivitäten zu entwickeln.

Kontakt: Programmsprecher: Prof. Dr. Gerhard Gompper, Forschungszentrum Jülich; Pressestelle: Anne Rother, Telefon: 02461 / 61-4661, a.rother@fz-juelich.de

BioInterfaces in Technology and Medicine

Gutachtervorsitzende: Prof. Dr. Ann-Christine Albertsson, KTH Royal Institute of Technology, Schweden

Zu diesem neu ausgerichteten transdisziplinären Programm tragen das Karlsruher Institut für Technologie und das Helmholtz-Zentrum Geesthacht bei. Es bringt Biowissenschaftler, Chemiker, Physiker, Ingenieure, IT-Spezialisten, Materialwissenschaftler und Mediziner mit dem gemeinsamen Ziel zusammen, lebende Systeme zu kontrollieren. Molekulare und zelluläre Grenzflächen lebender Systeme sind logische Ansatzpunkte für die Entwicklung geeigneter Strategien zur Beeinflussung des Zellverhaltens. Daher wird das Programm neue Konzepte für innovative Materialien und Technologien zur präzisen Steuerung des Zellverhaltens über diese genannten Kontrollpunkte entwickeln. Hierzu werden umfassende Analysen an Zellkulturen, Biofilmen, Tiermodellen und Patientenproben durchgeführt. Aufbauend auf den erzielten Erkenntnissen soll rationales Design multifunktionale synthetische Moleküle zur Manipulation von Zellen in Bioreaktoren oder im Organismus liefern. Des Weiteren ist geplant, maßgeschneiderte polymere Oberflächen zur Kontrolle von Biofilmen sowie von funktionalisierten Polymeren für den Einsatz in regenerativen Therapien herzustellen.

Das Gutachterpanel war beeindruckt von den wissenschaftlichen Fragestellungen und der exzellenten Qualität des Programms. Die Zusammenführung der komplementären Expertisen des HZG und KIT zu diesem neu aufgestellten Programm wurde ausdrücklich begrüßt und solle noch weiter befördert werden. Dem Programm wurde von dem Gutachterpanel empfohlen geeignete Maßnahmen zu implementieren, um den wissenschaftlichen Austausch zwischen den Disziplinen, Programmthemen und Standorten sowie übergreifende Kooperationen weiter zu verstärken.

Kontakt: Programmsprecher: Prof. Dr. Christof Wöll, Karlsruher Institut für Technologie; Pressestelle: Monika Landgraf, Telefon: 0721 / 608-47414, monika.landgraf@kit.edu

Decoding the Human Brain

Gutachtervorsitzender: Prof. Marcus E. Raichle, Washington University School of Medicine, USA

"Decoding the Human Brain" ist eins der zwei neuen Programme im Forschungsbereich Schlüsseltechnologien. Das Forschungszentrum Jülich wird zu diesem Programm beitragen. Die Wissenschaftler des Programms verfolgen das Ziel, ein realistisches, dreidimensionales Modell des menschlichen Gehirns zu entwickeln, das die funktionelle und strukturelle Hirnorganisation auf den verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen umfasst. Denn ein umfassendes Verständnis der Hirnorganisation hat nicht nur große Bedeutung für die Grundlagenwissenschaften und unser Menschenbild, sondern ist Voraussetzung dafür, Krankheitsprozesse zu verstehen, zu diagnostizieren und zu heilen. Im Programm werden daher neurale Mechanismen, die mentalen Prozessen und Verhalten zugrunde liegen, über die verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen von der genetischen und molekularen über die zelluläre, mesoskopische bis hin zur Netzwerkebene untersucht. Neben empirischer Forschung tragen hierzu auch Modellbildung, Theorie und Simulation bei.

Das Gutachtergremium begrüßte die Etablierung des ambitionierten Programms. Die wissenschaftliche Qualität sowie die strategische Relevanz seien exzellent und in Teilen hervorragend. Das Programm habe das Potenzial neue Standards im Bereich Neurowissenschaften zu setzen. Es wurde empfohlen, mittels integrativer Projekte den wissenschaftlichen Austausch zwischen den einzelnen Programmthemen und Disziplinen weiter zu befördern. Die enge Verzahnung mit dem Programm Supercomputing & Big Data wurde sehr begrüßt. Daher solle auch die Programmstrategie im Dialog mit dem Programm Supercomputing & Big Data weiterentwickelt werden.

Kontakt: Programmsprecherin: Prof. Dr. Katrin Amunts, Forschungszentrum Jülich; Pressestelle: Anne Rother, Telefon: 02461 / 61-4661, a.rother@fz-juelich.de

Key Technologies for the Bioeconomy

Gutachtervorsitzende: Prof. Dr. Wiltrud Treffenfeldt, Dow Europe GmbH, Schweiz

"Key Technologies for the Bioeconomy" ist eins der zwei neuen Programme im Forschungsbereich Schlüsseltechnologien, zu dem das Forschungszentrum Jülich beitragen wird. Eine steigende Weltbevölkerung und sich verändernde Ernährungsgewohnheiten, zunehmende Nachfrage nach nachhaltig produzierten bio-basierten Rohstoffen aber auch der weltweit steigende Bedarf an Bioenergie, sind Beispiele großer gesellschaftlicher Herausforderungen, zu deren Lösung die nachhaltige Bioökonomie beitragen will. Das Programm fokussiert mit seinen zwei Bereichen - Biotechnologien und Pflanzenforschung -  als zentrale Aufgabe auf die Optimierung biologischer Ressourcen im Rahmen eines umfassenden Konzepts der nachhaltigen Bioökonomie. Die Arbeiten zur industriellen Biotechnologie konzentrieren sich auf die biobasierte Produktion von Chemikalien, Pharmazeutika und Proteinen durch mikrobielle und enzymatische Prozesse. Die Pflanzenwissenschaften liefern Beiträge zur Verbesserung pflanzlicher Biomasse und zur Produktion von pflanzenbasierten Chemikalien und Wertstoffen.

Das Gutachtergremium bescheinigte dem Programm eine exzellente zum Teil hervorragende wissenschaftliche Qualität. Das Gremium war stark beeindruckt von den Ansätzen, dem Enthusiasmus und den bisherigen Errungenschaften der beteiligten Wissenschaftler sowie des Programmmanagements. Es wird erwartet, dass das Programm zu bedeutsamen Fortschritten in der Bioökonomieforschung beitragen wird. Die Gutachtergruppe empfahl, die Sichtbarkeit des Programms noch weiter zu befördern und auch den erwarteten Nutzen der Bioökonomieforschung deutlicher darzustellen, um die interne wie auch externe Akzeptanz des Programms zu verstärken.

Kontakt: Programmsprecher: Prof. Dr. Ulrich Schurr, Forschungszentrum Jülich; Pressestelle: Anne Rother, Telefon: 02461 / 61-4661, a.rother@fz-juelich.de

Technology, Innovation and Society

Gutachtervorsitzender: Prof. Dr. Harald Rohracher, Linköping University, Schweden

Das forschungsbereichsübergreifende Programm, das die Forschungsbereiche Schlüsseltechnologien und Energie verbindet, beschäftigt sich mit der Erforschung nicht-technologischer Aspekte des Innovationsprozesses, indem es die Zusammenhänge zwischen der technologischen Entwicklung und den damit in Verbindung stehenden Veränderungen ökonomischer und ökologischer Faktoren, politischen Kontexten und ethischen Fragestellungen erörtert. Das Programm vereint in den Forschungsbereichen Energie und Schlüsseltechnologien interdisziplinäre Forschung im Bereich der Systemanalyse, Technologiefolgenabschätzung, Nachhaltigkeitsforschung sowie Risiko- und Innovationsforschung. So werden Ansätze zur Technikfolgenabschätzung auf neue technologische Felder angewandt und Politikberatung durchgeführt, integrale Strategien für die optimale Nutzbarmachung von erneuerbaren Energien im Rahmen der damit verbundenen Risiken und Konflikte erarbeitet.

Die einzelnen Themen adressieren hochrelevante wissenschaftliche Fragestellungen und sind für die Bewältigung der großen Herausforderungen und deren sozialen Einflusses ein elementarer Bestandteil der Helmholtz-Gemeinschaft. Die Gutachter bestätigen die hohe wissenschaftliche Qualität des Programms, schlagen allerdings Strategien zur kontinuierlichen Weiterentwicklung vor. Dabei wurden vor allem die strukturelle Vernetzung der Forschungsthemen im Programm und im Forschungsbereich, das Portfolio der gewählten Forschungsansätze und der wissenschaftliche Impact kritisch analysiert. So empfehlen die Gutachter die Integration der Themen im Programm und im Forschungsbereich zu verbessern, das Portfolio der gewählten Forschungsansätze strategisch zu schärfen und neue konzeptionelle und methodologische Gebiete im Bereich der Modellierung zu erschließen.

Kontakt: Programmsprecher: Prof. Dr. Armin Grunwald, Karlsruher Institut für Technologie; Pressestelle: Monika Landgraf, Telefon: 0721 / 608-47414, monika.landgraf@kit.edu