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. 

Einblicke in den Forschungsbereich Schlüsseltechnologien

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

4D-Röntgenfilme für die Materialwissenschaften

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

In den vergangenen Jahren sind Magnesium und darauf basierende Legierungen als vielversprechende Alternative zu klassischen Titan-basierten Implantaten für die Anwendung in der Medizin in den Fokus gerückt. Eine der herausragenden Eigenschaften von Implantaten aus diesem Werkstoff
ist die Tatsache, dass diese sich im Laufe der Zeit im Körper abbauen. Somit entfällt eine zweite Operation für die Entfernung eines nicht dauerhaft benötigten Implantates, da dieses von selbst verschwindet. Die Herausforderung in der Entwicklung der Implantate besteht unter anderem darin, die Abbaugeschwindigkeit so anzupassen, dass das Implantat lange genug stabil ist, sich aber auch hinreichend schnell auflöst. Bisher wurde in der Entwicklung neuartiger Magnesiumwerkstoffe für Implantatmaterialien das Abbauverhalten anhand von mehreren Probestücken untersucht, die unterschiedlich lange in Kontakt mit blutähnlichen Flüssigkeiten waren. Dieser Ansatz ist vor allem hinsichtlich der zeitlichen Auflösung limitiert.

Am Institut für Werkstoffforschung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht hat ein Team der Geschäftsbereiche Werkstoffphysik und Metallische Biomaterialien ein neuartiges Verfahren entwickelt, um den Abbau von Magnesiumwerkstoffen unter körperähnlichen Umgebungsbedingungen mit hoher variabler zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Die Forscherinnen und Forscher nutzen hierfür die im Rahmen des German Engineering Materials Science Centre (GEMS) betriebenen Großgeräte und ein vom HZG an der weltweit hellsten Röntgenlichtquelle betriebenes bildgebendes Verfahren namens Röntgenmikrotomographie. Diese Technik wird mit einer speziell entwickelten Messumgebung kombiniert, bestehend aus einer kleinen Durchflusszelle, die an einen Bioreaktorkreislauf und an weitere Sensorik gekoppelt ist. Dieses Konzept erlaubt es, vor allem auch die frühen, sehr dynamischen Prozesse des Abbaus mit einer Auflösung von rund 1 μm (ein Tausendstel eines mm) zerstörungsfrei in einer einzigen Probe kontinuierlich über mehrere Tage zu verfolgen. Die auf diesem Weg gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen eine gezielte Beobachtung der Abbauvorgänge und erlauben so die Entwicklung von neuartigen, abbaubaren Werkstoffen für die Materialwissenschaft und Biomedizin.


PriPay: Privatsphärenschützende Zahlungssysteme

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

„Elektronische Geldbörsen“ gehören heute zum Alltag – etwa in Bonuskartensystemen. Doch wenigen ist klar, dass sie bei der Nutzung auf eine Privatsphäre weitestgehend verzichten. Mit PriPay ist es Informatikern des KIT nun gelungen ein System zu entwickeln, das gleichzeitig offlinefähig, effizient und beweisbar sicher ist. Das System nutzt Verschlüsselung und Signaturen sowie fortgeschrittene Kryptographie wie Zero-Knowledge-Beweissysteme, um einerseits die Privatsphäre der Nutzer zu schützen und andererseits die Betreiber vor Betrug.


Datengetriebene Analyse und Modellierung von Nanoporösen Metallen

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

Nanoporöse Metalle besitzen interessante funktionale und mechanische Eigenschaften. Ihre komplexe Struktur ähnelt einem offenporigen Schwamm verzweigter Nano-Ligamente. Eine Big Data-Analyse von 800 Ligamenten einer Nanotomographie zeigte, dass über die Hälfte eine starke Asymmetrie aufweisen. Diese Entdeckung wurde in dem entwickelten Modellierungsansatz berücksichtigt. Die berechnete Steifigkeit der Struktur zeigte, dass die übliche Dickenbestimmung bei diesem Material die realen Ligament-Durchmesser um bis zu 30 % überschätzt.


Nächster Schritt zur optischen On-Chip-Datenübertragung

Forschungszentrum Jülich

Schon lange suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach einer geeigneten Lösung, um optische Komponenten auf einem Computerchip zu integrieren. Doch Silizium und Germanium allein – die stoffliche Basis der Chip-Produktion – sind als Lichtquelle kaum geeignet. Ein Jülicher Physikerteam hat nun gemeinsam mit internationalen Partnern eine Diode vorgestellt, die neben Silizium und Germanium zusätzlich Zinn enthält, um die optischen Eigenschaften zu verbessern. Das Besondere daran: Da alle Elemente der vierten Hauptgruppe angehören, sind sie mit der bestehenden Silizium-Technologie voll kompatibel.


Überlegene Membranen für die Trennung von Gasgemischen

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

Mithilfe von Membranen können Bestandteile aus flüssigen oder gasförmigen Stoffgemischen abgetrennt werden. Die Trennung des Gasgemisches CO2/CH4 spielt bspw. eine wesentliche Rolle bei der Bereitstellung regenerativer Ressourcen wie z. B. Biogas. Forscherteams des HZG entwickeln neben energieeffizienten Membranverfahren auch neuartige, passende Membranmaterialien wie die so genannten Claisen-thermisch umgelagerten (CTR) Polymere. Sie ermöglichen die Herstellung mechanisch stabiler, hochpermeabler und selektiver Multilagen-Gasseparationsmembranen.


Deutschlands schnellster Rechner

Forschungszentrum Jülich

Ein Meilenstein hin zu hochflexiblen modularen Supercomputern ist das System JUWELS im Jülich Supercomputing Centre (JSC), das unter der Federführung eines Jülicher Forschungsteams in einer Reihe von EU-Projekten entwickelt wurde. Allein mit seinem ersten Modul (Rechengeschwindigkeit 6,2 Petaflop/s) qualifiziert sich Juwels für die Nummer 1 in Deutschland. Ein zweites Modul wird 2019 seine Rechenleistung vervielfältigen. Forschenden am JSC gelang unterdessen mit Kolleginnen und Kollegen aus China und den Niederlanden ein Weltrekord. Auf zwei Superrechnern simulierten sie erstmals einen Quantencomputer mit 46 Qubits.


Ein Schritt in Richtung Quantencomputer

Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Ein universeller Quantencomputer ist noch eine Zukunftsvision. Spezielle Quantensysteme, die versprechen, eine bestimmte Aufgabe schneller als ein klassischer Computer zu lösen, spielen jedoch in der Wissenschaft bereits jetzt eine große Rolle. Ein konventioneller Computer muss, um ein bestimmtes Element in unsortierten Daten sicher zu finden, im ungünstigsten Fall alle Suchelemente nacheinander durchlaufen. Forschende am KIT haben nun in ein molekulares Spin-Quantensystem einen Grover-Suchalgorithmus implementiert, der die Suchzeit wesentlich verringert, da er zeitgleich auf alle Zustände innerhalb eines Moleküls durch die Erzeugung einer sogenannten Superposition angewendet werden kann.

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