Forschungsbereich Schlüsseltechnologien in der Förderperiode 2010 - 2014

Der Forschungsbereich Schlüsseltechnologien umfasst sechs Programme sowie das Programm Technologie, Innovation und Gesellschaft (gemeinsam mit dem Forschungsbereich Energie).

• Supercomputing
• Grundlagen für zukünftige Informationstechnologien
• NANOMIKRO: Wissenschaft, Technologie und Systeme
• Funktionale Werkstoffsysteme
• BioSoft: Makromolekulare Systeme und biologische Informationsverarbeitung
• BioGrenzflächen: Molekulare und zelluläre Interaktionen an funktionalen Grenzflächen
• Technologie, Innovation und Gesellschaft

Charakteristisch sind die enge Zusammenarbeit mit der Industrie und die Koordination von Netzwerken, die Forschungseinrichtungen und Unternehmen verknüpfen. Der Forschungsbereich bündelt die gemeinsamen Interessen von Wissenschaft und Wirtschaft, um in der Europäischen Union und international konzertiert zu agieren. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sind Ansprechpartner für Unternehmen und Verbände und informieren politische Entscheidungsträger über Chancen und Risiken neuer Technologien. Dort, wo sich die vorhandenen Kompetenzen ergänzen, werden diese für programmübergreifende Kooperationen genutzt. Von den Arbeiten zu Schlüsseltechnologien profitieren darüber hinaus die Forschungsbereiche Energie, Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr, Gesundheit sowie Erde und Umwelt.

Die Programme

Das Programm Supercomputing

Die Verarbeitung von großen Datenmengen oder die Modellierung komplexer Systeme sind wichtige Werkzeuge für die Forschung. Mit seinen Schwerpunkten Höchstleistungsrechnen und Grid-Computing stellt das Programm unverzichtbare Infrastrukturen für die deutsche Wissenschaft bereit. Im John von Neumann-Institut für Computing in Jülich und dem Grid Computing Centre Karlsruhe arbeiten Experten an der Verbesserung der Methoden-, Werkzeug- und Anwendungsentwicklung und betreuen insbesondere durch die Simulation Laboratories die zahlreichen internen und externen Nutzer aus anderen Forschungsbereichen und Institutionen.

Das Forschungsprogramm hat ferner die Aufgabe, die jeweils neueste und leistungsfähigste Generation der Höchstleistungsrechner aufzubauen und zu betreiben; in Jülich steht mit JUGENE einer der schnellsten Rechner Europas. Eine besondere Herausforderung ist es, die anschwellenden Datenströme, die Beschleuniger und Satelliten liefern, sinnvoll zu verarbeiten. Das Konzept des Grid-Computing, in dem Computer zu Funktionsverbünden zusammengeschlossen werden, ermöglicht es, noch größere Datenmengen zu analysieren.

Das Programm Grundlagen für zukünftige Informationstechnologien

Nach dem Moore’schen Gesetz werden Bauelemente auf einem Chip weiter in rasantem Tempo schrumpfen. Doch wie klein kann ein Bauelement werden, ohne seine physikalische Funktion zu verlieren? Wenn man sich einer charakteristischen Größe von fünf Nanometern nähert, ist nach heutigem Wissen die physikalische Grenze für die herkömmliche Elektronik erreicht. Jenseits dieser Grenze müssen die Forscher ganz neue Phänomene nutzen und neue Bauelement-Konzepte entwickeln. Die Forschung in diesem Programm untersucht daher quantenelektronische, magnetoelektronische, ferroelektrische, redox-schaltende und molekulare Nanostrukturen.

Auch die Höchstfrequenzelektronik und die bioelektrische Signalverarbeitung zählen zu diesem Programm. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler führen Grundlagenforschung zu Materialien und den darin ablaufenden Prozessen durch, untersuchen die Informationsverarbeitung in Logikbauelementen, die Speicherung von Informationen in Random Access Memories und Massenspeichern sowie die Übertragung von Informationen auf Chip- und Systemebene und entwickeln neue Sensoren.

Das Programm NANOMIKRO: Wissenschaft, Technologie und Systeme

Während die Mikrosystemtechnik bereits sehr nah an der Anwendung ist, erfordert die Nanotechnologie noch umfangreiche Grundlagenforschung. In diesem Programm werden neue, funktionale Mikrosystemstrukturen aus Kunststoffen, Metallen oder Keramiken entwickelt und Anwendungspotenziale von nanostrukturierten Materialien untersucht. Dabei werden – meist in Kooperation mit der Industrie – Komponenten für die Mikroverfahrenstechnik, Gasanalytik, Mikrofluidik oder Lebenswissenschaften entwickelt. In Nano-Fabrikationsanlagen sollen nano-strukturierte Systeme mit maßgeschneiderten Eigenschaften industriell gefertigt werden können.

Nanomaterialien und Prozesse bilden den Kern des Programms, Optik und Photonik sind Anwendungsfelder, die aus dem Programm entwickelt werden. Einen weiteren Schwerpunkt bilden Materialien für die Energiespeicherung, insbesondere für Batterien in Elektrofahrzeugen. Die große Spannweite von erkenntnisorientierter Forschung bis zu anwendungsnahen Systemen erlaubt es, Ergebnisse der Grundlagenforschung in Anwendungen zu überführen. Die zentralen technischen Einrichtungen im Programm stehen der „Scientific Community“ als Karlsruhe Nano-Micro-Facility in Form einer offenen Nutzereinrichtung zur Verfügung.

Das Programm Funktionale Werkstoffsysteme

In diesem Programm werden neuartige metallische und funktionale, polymerbasierte Werkstoffsysteme entwickelt, die beim Leichtbau in der Verkehrs- und Energietechnik, in der chemischen Prozesstechnik, in der zukünftigen Wasserstofftechnik sowie in der Medizintechnik eingesetzt werden können. In Kooperation mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie untersuchen die Helmholtz-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Fragen der Legierungs- und Polymerentwicklung, der Be- und Verarbeitung sowie der Bauteil- und Prozessentwicklung und -erprobung.

Einen neuen Schwerpunkt bildet die Funktionalisierung von Magnesium- und Titan-Legierungen für den Einsatz in biokompatiblen Implantaten. Werkstoffcharakterisierung und Simulationsverfahren von der Mikro-Skala bis zum komplexen Bauteil liefern die theoretischen Grundlagen für die Optimierung von Herstellungsprozessen und für die Bewertung der Leistungsfähigkeit innovativer Leichtbaustrukturen. Aufbauend auf der Helmholtz-Initiative FuncHy wird gemeinsam mit dem Forschungsbereich Energie an funktionalen Werkstoffen für die Feststoff-Wasserstoffspeicherung in Tanksystemen gearbeitet, zum Beispiel für Windkraftanlagen oder Solarenergie, aber auch für mobile Tanksysteme in Automobilen.

Das Programm BioSoft: Makromolekulare Systeme und biologische Informationsverarbeitung

An der Grenzfläche zwischen Physik, Chemie und Biologie entwickeln sich derzeit faszinierende Forschungsgebiete und neue technologische Ansätze. Im Bereich der weichen Materie werden die Eigenschaften von Makromolekülen und ihr kooperatives Verhalten auf Längenskalen von Nano- bis Mikrometern untersucht. Aus der Erkenntnis, dass bereits die scheinbar einfachsten molekularen Maschinen eine hohe Komplexität aufweisen – und umso mehr die Netzwerke von Genen und Proteinen in lebenden Zellen –, hat sich in den Lebenswissenschaften ein grundlegender Wandel vollzogen.

Ziel des Programms ist es deshalb, die komplexen Strukturen und Mechanismen, die das Verhalten von weicher Materie und biologischen Systemen bestimmen, besser zu verstehen, um neue Materialien und Technologien zu entwickeln. Das Programm beruht auf der engen Wechselwirkung von experimenteller Forschung mit Theorie und Simulationswissenschaften. Im Rahmen des Internationalen Helmholtz-Kollegs „Biophysics and Soft Matter“ wird Doktoranden und Nachwuchswissenschaftlern eine breite interdisziplinäre Ausbildung angeboten.

Das Programm BioGrenzflächen: Molekulare und zelluläre Interaktionen an funktionellen Grenzflächen

Im Programm BioGrenzflächen verfolgen Biologen, Chemiker, Physiker, IT-Spezialisten, Ingenieure und Mathematiker das Ziel, lebende Systeme zu steuern. Dabei konzentrieren sie sich zunächst auf die kleinsten „lebenden“ Einheiten eines biologischen Systems, die Zellen, ihre zellulären Komponenten und die Grenzflächen zwischen Zellen, zwischen Zellen und ihrer Umgebung und zwischen Molekülen wie zum Beispiel Proteinen in Signalkaskaden. Diese Grenzflächen sind logische Schaltstellen, um das Zellverhalten zu beeinflussen. Ein weiterer Schwerpunkt des Programms ist die Kontrolle von Bakterienzellen, die Biofilme auf Oberflächen bilden. Das Programm spannt sich von reiner Grundlagenforschung bis hin zur Entwicklung von anwendungsorientierten Technologien und Produkten für Industrie und Medizin. Neue Therapien für degenerative Erkrankungen der Muskeln, der Netzhaut oder des zentralen Nervensystems sowie die Entwicklung bioaktiver Oberflächen für Implantate und Bioreaktoren werden durch diese Schlüsseltechnologien möglich.

Das Programm Technologie, Innovation und Gesellschaft

Ziel des forschungsbereichsübergreifenden Programms ist die Erforschung ökologischer, ökonomischer, politischer, ethischer und sozialer Aspekte neuer Technologien, um die Entscheidungsfindung in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft zu unterstützen. Die Schwerpunkte im Bereich Schlüsseltechnologien sind einerseits die gesellschaftlichen Erwartungen an die Wissenschaften, die nachhaltige Entwicklung und die Wissensgesellschaft mit ihren Implikationen für gesellschaftliche Entscheidungsprozesse. Zum anderen werden Chancen und Risiken von Schlüsseltechnologien erforscht sowie fördernde und hemmende Faktoren für Innovationen, insbesondere zur Nanotechnologie, zur Informations- und Kommunikationstechnologie und zu Neurowissenschaften.

Ausblick

Der Forschungsbereich Schlüsseltechnologien verfolgt eine grundlagenorientierte und anwendungsoffene Forschung. Energie, Gesundheit, Mobilität, Sicherheit und Kommunikation kristallisieren sich als die Bedarfsfelder, für die nachhaltige generische Technologien entwickelt werden. Daher stärkt der Forschungsbereich die bestehenden Programme in den Bereichen Material- und Nanowissenschaften, Informations- und Kommunikationstechnologien sowie Lebenswissenschaften.

Neue forschungsbereichsübergreifende Themen sind Technologie und Simulation in der Medizin, nachhaltige Bioökonomie sowie Simulation, Datenmanagement und -analyse im Exascalebereich. Die Forscherinnen und Forscher arbeiten an materialwissenschaftlichen, chemischen und physikalischen Vorgängen, die Anwendung in der Energieversorgung, der Mobilität des Menschen und in medizinischen Therapien finden werden.