Helmholtz-Gemeinschaft
Der neue WhatsApp-Newsletter!

Forschungsbereich Schlüsseltechnologien

Neue Bauelemente für die Computer der Zukunft, energiesparende Supercomputer und maßgeschneiderte Materialien und Werkstoffe für den Einsatz in Technik und Medizin zählen zu den wichtigsten Schlüsseltechnologien von morgen. 

Aufgabe

Der Forschungsbereich Schlüsseltechnologien zielt auf die Entwicklung generischer Technologien, um die Zukunftsfähigkeit unserer Gesellschaft zu sichern.

Zoom
Nano-Spintronics-Cluster-Tool. Jülicher Wissenschaftler erforschen die Grundlagen für die Datenspeicher von morgen.
Bild: Digitalfotografie, Ralf-Uwe Limbach, Forschungszentrum Jülich

Die Wissenschaftler im Forschungsbereich Schlüsseltechnologien erforschen und entwickeln generische Technologien, welche entlang der neuen Hightech-Strategie und anderer Programme der Bundesregierung Antworten auf die globalen Herausforderungen, insbesondere in den prioritären Zukunftsaufgaben für Wohlstand und Lebensqualität – Digitale Wirtschaft und Gesellschaft, Nachhaltiges Wirtschaften und Energie, Gesundes Leben, Intelligente Mobilität und Zivile Sicherheit – erarbeiten werden.

Dabei decken die im Forschungsbereich bearbeiteten Forschungsprogramme die ganze Bandbreite von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung ab und wirken multidisziplinär zusammen. Modernste Forschungsinfrastrukturen (Großgeräte und Technologieplattformen) werden durch eigene Forschung wissenschaftlich weiterentwickelt und einer breiten Nutzergemeinschaft (vor allem auch externen Partnern) zur Verfügung gestellt.

Ausblick

Um Impulse für Innovationen zu geben und die Spitzenstellung Deutschlands als Wissenschaftsstandort zu sichern und auszubauen, ist es von großer Bedeutung, die bewusst breite und anwendungsoffene Grundlagenforschung des Bereichs Schlüsseltechnologien weiter voranzutreiben. Dabei ist die Auseinandersetzung mit ethischen Fragen, die in Zusammenhang mit Forschung und Technologieentwicklung entstehen, ein integraler Bestandteil.

Der Forschungsbereich adressiert zentrale wissenschaftliche Themen, die für die Entwicklung in den drei Schwerpunktthemen Informationstechnologien, Materialwissenschaften und Lebenswissenschaften, in den nächsten Dekaden richtungsweisend sein werden. Die bereits in der letzten Förderperiode sehr erfolgreich betriebenen Forschungsprogramme in den Bereichen Material- und Nanowissenschaften, Informations- und Kommunikationstechnologien sowie Lebenswissenschaften werden weiter vorangetrieben und verstärkt. Die Integration multidisziplinärer Ansätze, beispielsweise die Verknüpfung von Technologie und Medizin, Biologie und Physik, Simulation und Big Data, Supercomputing und Hirnforschung oder mikrobieller Biotechnologie und Pflanzenwissenschaften legt die Grundlage für neuartige Lösungen in den Schlüsseltechnologien.

Die Programme in der Förderperiode 2015-2019

An dem Forschungsbereich Schlüsseltechnologien sind drei Helmholtz-Zentren beteiligt: das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Helmholtz-Zentrum Geesthacht für Material- und Küstenforschung (HZG) sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Der Forschungsbereich umfasst sieben Programme sowie die zwei forschungsbereichsübergreifenden Programme „Future Information Technology“ und „Technology, Innovation and Society“ (gemeinsam mit dem Forschungsbereich Energie):

Forschungsprogramme


Supercomputing & Big Data

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.


Nano-Spintronics-Cluster-Tool. Jülicher Wissenschaftler erforschen die Grundlagen für die Datenspeicher von morgen.
Bild: Digitalfotografie, Ralf-Uwe Limbach, Forschungszentrum Jülich

Future Information Technology – Fundamentals, Novel Concepts, and Energy Efficiency

Forschungsziel dieses Helmholtz-Forschungsprogrammes ist es mittels neuer innovativer Forschungsansätze neue Bauelemente und Architekturkonzepte zu entwickeln, um die Rechenleistung, Datenspeicherdichten und Datenübertragungsraten von Informationstechnologien zu erhöhen und gleichzeitig den Bedarf an elektrischer Energie dramatisch zu reduzieren.


Science and Technology of Nanosystems

Ziel des Programms ist es, Nanosysteme mit einzigartiger Funktionalität zur erforschen und zu entwickeln. Hierfür verfolgen die beteiligten Wissenschaftler die Vision einer gezielten Gestaltung und Kontrolle von Materialien von der atomaren und molekularen über die nano- und mikroskalige bis hin zur makroskaligen Dimension.


Advanced Engineering Materials

Die Forschung im Programm „Advanced Engineering Materials“ adressiert Herausforderungen zur Entwicklung von Werkstoffen und Materialien einschließlich der dafür erforderlichen Prozesstechnologien zur Realisierung von geringem Gewicht bei herausragenden mechanischen Eigenschaften sowie zur Implementierung von Multifunktionalität.


BioSoft - Fundamentals for Future Technologies in the Fields of Soft Matter and Life Sciences

Das Programm verfolgt das Ziel, neue, nanostrukturierte funktionale Materialien zu entwickeln und wissensbasierte Strategien zur Krankheitstherapie zu erzeugen – mittels anwendungsorientierter Grundlagenforschung in den Gebieten der weichen Materie sowie der molekularen und zellulären Biophysik.


Bild: Forschungszentrum Jülich

BioInterfaces in Technology and Medicine

Die Wissenschaftler in diesem Programm werden umfassende Analysen an Zellkulturen, Biofilmen, Tiermodellen und Patientenproben durchführen, um die natürlichen Kontrollmechanismen der Zellteilung und -differenzierung zu entschlüsseln. Darauf basierend soll rationales Design multifunktionale synthetische Moleküle zur Manipulation von Zellen in Bioreaktoren oder im Organismus liefern sowie die Entwicklung biomimetischer Substrate zur 3D-Kultivierung von Stammzellen ermöglichen.


Bilder: Forschungszentrum Jülich

Decoding the Human Brain

Das Programm „Decoding the Human Brain“ zielt auf die Entwicklung eines realistischen, dreidimensionalen Modells des menschlichen Gehirns. Dieses soll die funktionelle und strukturelle Hirnorganisation auf den verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen umfassen.


Key Technologies for the Bioeconomy

Die Aufgabe des Programmes „Key Technologies for the Bioeconomy“ im Rahmen eines umfassenden Konzepts der nachhaltigen Bioökonomie ist die Optimierung der biologischen Ressourcen für die Bioökonomie. 


Technology, Innovation and Society

Ziel des forschungsbereichsübergreifenden Programms ist die Erforschung ökologischer, ökonomischer, politischer, ethischer und sozialer Aspekte neuer Technologien zur Unterstützung von Entscheidungen in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft.

Einblicke in den Forschungsbereich Schlüsseltechnologien

Hier stellen wir Ihnen aktuelle Forschungsprojekte von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus den Helmholtz-Zentren vor.

Auf dem Weg zum Superrechner der nächsten Generation

Zoom
Die Netzwerkerin: Dr. Estela Suarez vom Jülich Supercomputing Centre (JSC) koordiniert das europäische Großprojekt DEEP/DEEP-ER.
Bild: Forschungszentrum Jülich

Forschungszentrum Jülich

Das Forschungszentrum Jülich stellte auf der CeBIT 2016 eine neue Rechner-Architektur vor. Das Ergebnis des EU-Projekts DEEP (Dynamical Exascale Entry Platform), das vom Jülich Supercomputing Centre (JSC) koordiniert wurde. Der Rechner ist nach dem sogenannten Cluster-Booster-Konzept aufgebaut und wird durch ein innovatives und sehr effizientes Kühlsystem ergänzt. Jülich und seine Partner legten damit einen weiteren Schritt auf dem Weg zu einem Exascale-Rechner zurück, der auf über eine Trillion Rechenoperationen pro Sekunde kommt. Das Cluster-Booster-Konzept funktioniert so ähnlich wie ein Turbolader in einem Verbrennungsmotor: Der Booster beschleunigt den Cluster-Teil. Dabei führt ein Cluster von leistungsfähigen Mehrkern-Prozessoren die komplexen Teile eines Programms aus. Einfache Programmteile übernehmen ausgelagerte Booster-Module, die aus einfachen Rechenkernen bestehen. Solche Kerne berechnen derartige Aufgaben deutlich energieeffizienter.

Bei dem in Hannover gezeigten Prototyp kam ein sogenannter GreenICE-Booster für eine besonders innovative Kühlung zum Einsatz. Die elektronischen Baugruppen befinden sich in einer speziellen Flüssigkeit, die schon bei Temperaturen von 40 Grad Celsius verdampft. Der Phasenübergang von flüssig zu gasförmig maximiert den Kühleffekt. Dadurch wird keine Abwärme mehr an den Raum abgegeben: Der Energiebedarf der Kühlung sinkt auf einen Anteil von etwa einem Prozent am gesamten Energieverbrauch.

In dem ebenfalls von der EU geförderten und von Jülich koordinierten Nachfolgeprojekt DEEP-ER (DEEP-Extended Reach) wollen die Wissenschaftler zum einen ein besonders effizientes System für die Datenein- und -ausgabe entwickeln. Schließlich fallen bei Anwendungen wie Klimasimulationen Unmengen an Daten an. Dadurch besteht die Gefahr von Engpässen, die das Gesamtsystem verlangsamen.

Zum anderen arbeiten sie daran, den Rechner der Zukunft ausfallsicherer zu machen. Exascale-Rechner werden aus so vielen Komponenten bestehen, dass mit heutiger Hardware mehrere Ausfälle pro Stunde zu befürchten wären. Damit die Anwendungsprogramme dadurch nicht ihre Zwischenergebnisse und Daten verlieren, sollen mit DEEP-ER Werkzeuge entwickelt werden, die auf einfache Weise das Weiterrechnen des Programms ermöglichen.


Neue Erkenntnisse zur Entstehung einer Depression

Zoom
JuBrain: Ein dreidimensionaler Atlas des menschlichen Gehirns mit Wahrscheinlichkeitskarten der Zellarchitektur.
Bild: Forschungszentrum Jülich.

Forschungszentrum Jülich

Eine Depression ist mit organischen Veränderungen im Gehirn verbunden. Jülicher Neurowissenschaftler wiesen nach, dass bei der Erkrankung das Volumen eines bestimmten Hirnareals, des medialen Frontalpols, verringert ist. Die Forscher nutzten für die Studie den dreidimensionalen JuBrain-Hirnatlas, der Karten von etwa 200 Hirnarealen umfasst. Im Rahmen des „Human Brain Projects“ wird JuBrain zu einem multimodalen Hirnmodell weiterentwickelt, in das unter anderem Erkenntnisse über die genetischen Merkmale der Regionen und Zellen einfließen.


Lösung für langzeitstabile ReRams

Zoom
Ein Blick in ein Rasterkraftmikroskop am Oxide Cluster Labor. Dort werden im Ultrahochvakuum Materialschichten für Datenspeicher hergestellt und untersucht.
Bild: Forschungszentrum Jülich

Forschungszentrum Jülich

Computerspeicher, die schnell sind und ein gutes Gedächtnis haben, könnten künftig aus neuartigen Bauelementen bestehen, den memristiven Zellen, kurz ReRAM. Noch sind sie nicht ausgereift. Ein Jülicher und Aachener Forscherteam konnte nun aufdecken, wie sich Speicherzellen, die schnell Daten verlieren, mikroskopisch von jenen unterscheiden, die über lange Zeit stabil sind. Zugleich stießen sie auf eine Lösung für fehlerresistente Speicherzellen: eine Speicherschicht für Sauerstoff-Ionen, die den unerwünschten Vorgang verlangsamt und womöglich ganz unterdrückt.


Knochenregenaration mit Hydrogelen

Zoom
Porenstruktur eines 3D-strukturierten Hydrogels (ArcGel) in einer REM-Aufnahme und die Adhäsion von hMSC an die ArcGel-Oberfläche nach 24 Stunden.
Bild: HZG

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

Fehlendes Knochenmaterial wächst nicht immer von selbst nach. Das Institut für Biomaterialforschung des HZG hat in Zusammenarbeit mit Forschern aus Berlin und Rostock 3D-strukturierte weiche Hydrogele auf Basis von Gelatine und Lysin vorgestellt, die einen Knochendefekt in wenigen Wochen vollständig ausheilen lassen. Die Regeneration wird durch Zellen erreicht, die in vivo in das Material einwandern. Dabei werden Zelldifferenzierung und -proliferation unter anderem durch Zelladhäsionsstellen und ein Wachstum der Poren während des Abbaus unterstützt.


Magnesium wirkt auf Wachstum und Differenzierung von Knochenzellen

Zoom
Untersuchung der Calciumproduktion in Kulturen, in denen knochenauf- und abbauende Zellen zusammen inkubiert wurden. Alizarin-Färbung, mit der Calcium sic htbar gemacht werden kann. In Monokultur liegt die tolerable Magnesium-Konzentration bei ca. 10 Millimolar.
Bild: Reprinted from Publication Wu et al. 2015, Acta Biomaterialia 27, 295-304.

Helmholtz-Zentrum Geesthacht Zentrum für Material- und Küstenforschung (HZG)

Wissenschaftler vom HZG untersuchten erstmals die knochenaufbauende Wirkung von Magnesiumimplantaten in einem Zellkulturmodell, in dem knochenauf- und -abbauende Zellen zusammen inkubiert wurden. Diese Zellen tolerieren höhere Mg-Konzentrationen als in Monokultur und ändern ihre Kommunikation. Dadurch gibt es insgesamt mehr knochenaufbauende Zellen, die mehr Calcium abscheiden und so zur Knochenneubildung beitragen. Damit konnte auf molekularem Niveau nachgewiesen werden, wie optimierte Magnesium-Freisetzung zum Heilungsprozess beitragen kann.


Das kleinste Fachwerk der Welt

Zoom
Erst unter dem Elektronenmikroskop kann man das weltweit kleinste Fachwerk erkennen, dessen Strebendurchmesser 0,2 und die Gesamtg röße rund 10 Mikrometer betragen.
Bild: J.Bauer/KIT

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Das kleinste von Menschen gemachte Fachwerk der Welt haben Forscher des KIT vorgestellt. Seine Bauteile aus glasartigem Kohlenstoff haben Strebenlängen von unter einem Mikrometer und Strebendurchmesser von 200 Nanometern. Die Grundstruktur wird durch 3-D-Laserlithografie hergestellt, anschließend wird die Struktur mittels Pyrolyse geschrumpft und verglast. Durch die kleine Dimension werden bisher unerreichte Verhältnisse von Festigkeit zu Dichte erzielt. Anwendungen sind beispielsweise in der Mikroelektronik oder als optische Bauteile möglich.


Wie Kupfer organische Leuchtdioden effizienter macht

Zoom
Maßgeschneiderte Leuchtdioden werden dank Kupferkomplexen effizienter.
Bild: KIT

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Der Einsatz von Kupfer als Leuchtstoff ermöglicht kostengünstige und umweltverträgliche organische Leuchtdioden (OLEDs). Dabei sorgt die sogenannte thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz für eine hohe Lichtausbeute. Wissenschaftler des KIT, der KITAusgründung CYNORA GmbH und der Universität St. Andrews, UK, haben nun erstmals die Geschwindigkeit des zugrundeliegenden quantenmechanischen Phänomens, des Intersystem Crossing, in einem Kupferkomplex gemessen. Die Ergebnisse der Grundlagenarbeit tragen zum Bauenergieeffizienterer OLEDs bei.

Kontakt

Prof. Dr. Wolfgang Marquardt

Forschungsbereichskoordinator Schlüsseltechnologien

Forschungszentrum Jülich

Wilhelm-Johnen-Straße
52425 Jülich

Postanschrift:
52425 Jülich

Telefon: +49 2461 61-3000
Fax: +49 2461 61-2525
w.marquardt (at) fz-juelich.de
www.fz-juelich.de


Dr. Christian Beilmann

Forschungsbereichsbeauftragter Schlüsseltechnologien

Helmholtz-Gemeinschaft

Telefon: +49 30 206329-20
christian.beilmann (at) helmholtz.de


09.12.2016