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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.

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


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.


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.

Datenspeicher der Zukunft: Energiesparend und leistungsstark

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Rainer Waser entwickelt besonders kleine und sparsame Datenspeicher. ild: Forschungszentrum Jülich

Forschungszentrum Jülich

Computer, Sensoren oder Energiewandler, die nur wenig Energie verbrauchen: Mit so genannten redox-basierten resistiven Speichern, kurz ReRAM, könnte dieses Ziel erreicht werden. Rainer Waser erforscht und entwickelt die winzig kleinen, schnellen und energiesparsamen elektronischen Bauteile am Forschungszentrum Jülich und an der RWTH Aachen.

In herkömmlichen Datenspeichern werden Elektronen verschoben und gespeichert. Doch die Elementarteilchen lassen sich nur mit großem Aufwand „bändigen“, damit die Informationen nicht verloren gehen. Das beschränkt nicht nur Speicherdichte und Geschwindigkeit – diese Art des Speicherns verbraucht auch viel Energie. Wissenschaftler forschen deshalb weltweit an nanoelektronischen Bauteilen, die geladene Atome – Ionen – zum Speichern von Daten nutzen. Ionen sind einige tausend Mal schwerer als Elektronen und lassen sich viel besser festhalten. Das bringt für einzelne Speicherelemente enorme Vorteile: Sie lassen sich auf beinahe atomare Dimensionen verkleinern und besitzen eine enorme Speicherdichte.

In ReRAM-Speicherzellen verhalten sich Ionen ähnlich wie in einer Batterie: Die Zellen enthalten eine sehr dünne Metalloxidschicht von wenigen Nanometern zwischen zwei Elektroden. Durch Spannungspulse werden die Ionen im Metalloxid verschoben und bewirken dort Redox-Prozesse. Die Folge: Der elektrische Widerstand ändert sich, das lässt sich für die Speicherung von Daten nutzen. Die gespeicherten Informationen bleiben auch dann erhalten, wenn kein Strom fließt. Gleichzeitig lassen sich ReRAMSpeicherelemente tausendmal schneller schalten und benötigen tausendmal weniger Energie als die Elemente heutiger Speicher.

Das physikalische Phänomen, das den resistiven Zellen zugrunde liegt, wurde bereits in den 1960er Jahren entdeckt, konnte zunächst aber nicht im Detail entschlüsselt werden. Wasers Arbeitsgruppe gelang es im Jahre 2006, den Mechanismus aufzudecken: Der elektrische Widerstand einer Metalloxidschicht ändert sich sprunghaft und reversibel, wenn man kurzzeitig eine Spannung anlegt. Die Entwicklung von ReRAMs avancierte in den vergangenen Jahren zu einem der Megatrends in der Nanoelektronik. Rainer Waser und seine Mitarbeiter kooperieren heute unter anderem mit den Firmen Intel, Hewlett-Packard, Samsung und Toshiba.


HZG-Membrantechnologie für die Biomasseproduktion mit Rauchgas

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In der Gebäudefassade wachsen Algen unter CO2-Zufuhr aus der Heizungsanlage. Bild: HZG

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

Im Rahmen der Internationalen Bauausstellung in Hamburg 2013 wurde durch die SSC GmbH weltweit zum ersten Mal an einem Wohnhaus eine Bioreaktorfassade zur Produktion von Algenbiomasse und Wärme gebaut. Algen wachsen darin mit Kohlenstoffdioxid aus dem Rauchgas einer biogasbetriebenen Heizungsanlage. Für die ausreichende Versorgung der Algen auf der 200 Quadratmeter großen Fläche werden vom HZG entwickelte Module mit CO2-selektiven Membranen eingesetzt, die das CO2 von 9 auf 45 Volumenprozent konzentrieren und bereits seit einem Jahr störungsfrei laufen.


Funktionalisierung von Implantatoberflächen

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Materialien mit rauer Oberfläche (grau) können im Kontakt mit Blut durch das Anheften von Proteinen wie Fibrin (grün) und Blutplättchen (rot) die Gerinnung auslösen. Bild: HZG

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

Das HZG-Institut für Biomaterialforschung hat ein Verfahren entwickelt, mit dem unerwünschte Blutgerinnung an rauen Implantatoberflächen unterbunden werden kann. Dabei werden die Oberflächen der verwendeten Materialien durch mehrfache Anbindung hochverzweigter Ether-basierter Bausteine abgeschirmt, so dass das Anhaften von an der Blutgerinnung beteiligten Blutplättchen und Proteinen wie Fibrin deutlich reduziert wird. Implantate aus so funktionalisierten Materialien sind im Blutkontakt verträglicher als herkömmliche Implantate.


Kämme aus Licht beschleunigen Kommunikation

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Optischer Mikroresonator aus Silizium-Nitrid. Bild: J. Pfeifle/KIT

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Die Menge der weltweit erzeugten Daten wächst stetig. Mithilfe von Licht lassen sich Daten schnell und effizient übertragen. Wissenschaftler des KIT und der Schweizer École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) konnten nun mit miniaturisierten optischen Frequenzkammquellen Datenströme von 1,44 Terabit pro Sekunde über Entfernungen von mehreren Hundert Kilometern übertragen – das entspricht dem Datenaufkommen von mehr als 100 Millionen Telefongesprächen.


Kleben wie ein Gecko

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Rasterelektronenmikroskop-Aufnahmen von Mikrohärchen nach dem Vorbild des Geckos vor und nach der Reinigung (kleines Bild) durch eibekontakt mit einer glatten Fläche. Bild: M. Röhrig/KIT

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Geckos haben Klebestreifen eines voraus: Selbst nach wiederholtem Kontakt mit Schmutz und Staub kleben ihre Füße noch einwandfrei auf glatten Flächen. Forscher des KIT und der Carnegie Mellon Universität in Pittsburgh, USA, haben nun den ersten Klebestreifen entwickelt, der nicht nur genauso haftsicher ist wie ein Geckofuß, sondern auch über einen vergleichbaren Selbstreinigungsmechanismus verfügt. Damit lassen sich beispielsweise Lebensmittelverpackungen oder medizinische Verbände mehrfach öffnen und sicher wiederverschließen. 


Das Farbenspiel der Paradiesvögel

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Faszinierend nicht nur für Paradiesvogeldamen: Das Gefieder männlicher Blaunacken-Strahlenparadiesvögel. Bild: Justin Marshall

Forschungszentrum Jülich

Mit dem Farbenspiel ihrer Federn beeindrucken männliche Paradiesvögel die Weibchen. Physiker aus Jülich und dem niederländischen Groningen haben die komplexen optischen Eigenschaften der Nacken- und Brustfedern einer Paradiesvogel-Art im Computer simuliert. Wie sie berichten, stimmen die Ergebnisse der Simulation sehr gut mit zuvor gemessenen Streulicht-Mustern und Streulicht-Spektren überein. Somit konnten die Forscher von Grund auf erklären, wie die Farben der Federn durch Lichtreflexion an Nanostrukturen in den Federn hervorgerufen werden. 


Neue Lizenznehmer übernimmt Technologie „Made in Geesthacht"

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Mittels Fügetechnologie lassen sich verschiedene Materialien zum Beispiel beim Flugzeugbau stabil miteinander verschweißen. Bild: HZG

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

Fügespezialisten des HZG bekamen seit 1999 zwölf Patente erteilt. Gegenstand der Forschung sind reibbasierte Fügetechnologien, durch die unterschiedlichste Werkstoffe miteinander verbunden werden können, zum Beispiel Aluminium mit Stahl oder faserverstärke Kunststoffe mit Metallen. Solche Verbindungen sind entscheidend bei der Entwicklung von leichteren und zugleich schadenstoleranten Flugzeugstrukturen oder crashsicheren Fahrzeugkomponenten. Mit dem Maschinenbauspezialisten Loxin (Esquiroz, ES) wurde jetzt eine Lizenznehmerkooperation über die 12 Patente vereinbart.

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. Katrin Feuser

Forschungsbereichsbeauftragte Schlüsseltechnologien

Helmholtz-Gemeinschaft

Telefon: +49 30 206329-20
katrin.feuser (at) helmholtz.de


27.03.2015