Der Weg in die Zukunft: Energie-Material-Forschung und eine weltweit führende Quelle für weiche Röntgenstrahlung

Das Helmholtz-Zentrum Berlin schärft sein Profil. Drängende Fragen der Gesellschaft aufgreifend, insbesondere auch zur Energiewende, hat das HZB für sich strategische Handlungsfelder und Ziele identifiziert. Der Schwerpunkt wird in Zukunft auf der Forschung an Energie-Materialien liegen - mit Fokus auf Dünnschichttechnologien. Schlüssel für den Erfolg sind dabei der geplante Ausbau von BESSY II zu einem Speicherring mit variabler Pulslänge und neue Labore für die internationale Forschergemeinschaft in Wannsee.

von Roland Steitz und Olaf Schwarzkopf

Einzigartige Analytik

Das HZB hat bereits heute Systemkompetenz von der Grundlagenforschung, über die Materialherstellung bis hin zu denn Prozesslinien für die Hochskalierung zu Prototypen. Für die Entwicklung und Optimierung von Herstellungsprozessen betreibt das HZB das Kompetenzzentrum Dünnschicht- und Nanotechnologie für Photovoltaik. Grafik: HZB

Der Aufsichtsrat hat im Juni 2013 beschlossen, den Betrieb der Neutronenquelle BER II zum 31.12.2019 einzustellen. Für das HZB ist die endgültige Abschaltung des BER II Herausforderung und Chance, sein Forschungsportfolio strategisch weiterzuentwickeln. Die Handlungsfelder, Ziele und Maßnahmen sind in der HZB-Strategie 2020+ zusammengefasst. Die zukünftigen Aktivitäten des HZB fokussieren sich auf die Forschung mit und für neue Materialien in energierelevanten Systemen sowie den Betrieb und die Weiterentwicklung der Photonenquelle BESSY II mit der Entwicklung einer Lichtquelle der nächsten Generation. Beide strategische Zielsetzungen sind auf das Engste miteinander verbunden. Weitere wichtige Schwerpunkte des HZB sind die internationale Einbindung des Zentrums, die Stärkung der Kooperationen mit Universitäten und Hochschulen sowie der Wissens- und Technologietransfer in Wirtschaft und Gesellschaft. Das HZB konzentriert sich auf die Energie-Material-Forschung, insbesondere auf funktionale Dünnschichtsysteme. Derartige Systeme sind beispielsweise geeignet, um zukünftig solare Brennstoffe zu erzeugen oder spintronische Bauelemente für energieeffiziente Datenspeicher zu entwickeln. 


Prof. Kaysser-Pyzalla

»BESSY VSR wird ein wissenschaftlich erstklassiges Großgerät sein. Keine andere Photonenquelle kann Forscherinnen und Forschern diese Flexibilität und diese Möglichkeiten für die Energie-Material-Forschung bieten« Anke Kaysser-Pyzalla / Foto: Ingo Kniest

Diese strategische Ausrichtung haben wir in einem längeren Prozess erarbeitet. Zunächst hat die Geschäftsführung offen mit den Forschenden des Zentrums in Arbeitsgruppen und Workshops diskutiert. Fragen waren unter anderem: "In welchen Themen haben wir Alleinstellungsmerkmale? Wer sind unsere Wettbewerber, wo liegen unsere besonderen Kompetenzen?" Die erarbeiteten Ergebnisse flossen im Anschluss in thematisch ausgerichtete Strategiepapiere ein, welche wiederum mit den internen und externen Gremien des Zentrums abgestimmt wurden.

Im Verlauf dieses Strategieprozesses wurden die vorhandenen Stärken des HZB deutlich. In der Energie-Material-Forschung besitzt das HZB Schlüsselkompetenzen in der Herstellung und Analyse von Dünnschichtsystemen für Energieanwendungen. Wir forschen dabei an einem breiten Material-Portfolio und entwickeln maßgeschneiderte Systeme und Module. Unsere Schlüsselkompetenzen liegen auch in der Entwicklung und Anwendung einzigartiger in-situ und operando Charakterisierungsmethoden mit vakuumultravioletter (VUV) und weicher Röntgenstrahlung an BESSY II.


Thomas Frederking

Thomas Frederking, kaufmännischer Geschäftsführer am HZB. / Foto: Ingo Kniest

Der Strategieprozess zeigte auch, dass eine Stärkung des Know-hows in der Materialsynthese notwendig ist. Ein weiteres Ergebnis ist, dass Aktivitäten zur Theorie und Simulation im Bereich der Energie-Materialien ausgebaut werden sollten. Das theoretische Verständnis hilft, grundlegende Prinzipien in den Materialien aufzuklären. Dadurch soll es gelingen, in nachfolgenden Syntheseschritten, unter anderem mithilfe der kombinatorischen Materialsynthese und von Simulationen, maßgeschneiderte Energie-Materialien zu entwickeln. Am Ende dieser Prozesskette stehen das Design und die Entwicklung von Prototypen, die relevant für die Industrie sind.

Für diese Aufgaben stehen dem HZB einzigartige Infrastrukturen zur Verfügung. Unsere Photonenquelle BESSY II ist mit ihrem Schwerpunkt auf VUV und weicher Röntgenstrahlung hervorragend auf die Analytik von Dünnschichtsystemen abgestimmt. Um die Dynamik in diesen Materialien mit höherer Zeitauflösung zu erfassen, planen wir den Ausbau von BESSY II zu BESSY VSR. Die Abkürzung VSR steht für »Variable Pulslängen- Speicherring«. Er erzeugt gleichzeitig sowohl extrem kurze als auch längere Lichtblitze; je nachdem, welche Pulslänge die Forschenden für ihre Experimente benötigen, können sie frei zwischen ihnen »schalten«.

»BESSY VSR wird ein wissenschaftlich erstklassiges Großgerät sein. Keine andere Photonenquelle kann Forscherinnen und Forschern diese Flexibilität und diese Möglichkeiten für die Energie-Material-Forschung bieten«, sagt Anke Kaysser-Pyzalla, die wissenschaftliche Geschäftsführerin des HZB.

BESSY VSR genießt breiten Rückhalt in der Helmholtz-Gemeinschaft und in externen Gremien. Alle Experten halten den Ausbau für äußert relevant. »Die Beschleunigerforschung für Photonenquellen am HZB findet weltweit Beachtung«, sagt Anke Kaysser-Pyzalla.

Das HZB hat BESSY VSR erfolgreich auf die Helmholtz-Roadmap für große Infrastrukturen gesetzt und das Projekt in das Verfahren zur Auswahl der strategischen Ausbauinvestitionen der Helmholtz- Gemeinschaft eingebracht. Thomas Frederking, kaufmännischer Geschäftsführer des HZB betont: »Für die zeitnahe Realisierung haben wir unseren finanziellen Eigenanteil deutlich aufgestockt. Im günstigsten Fall und mit tatkräftiger Unterstützung durch alle Mitarbeitenden im Hause kann BESSY VSR ab dem Jahr 2020 in Betrieb gehen.« Parallel zum Aufbau von BESSY VSR werden auch die Strahlrohre und Endstationen für die Forschung an Energie-Materialien optimiert. Damit werden sie noch attraktiver für unsere Schwerpunktthemen und für die externen Nutzerinnen und Nutzer.

Auch für ein Nachfolgegerät beginnen konzeptionelle Vorüberlegungen bereits jetzt. Mittelfristig benötigt die Nutzerschaft von VUV und weicher Röntgenstrahlung eine Lichtquelle der nächsten Generation. Das HZB hat eine solche Lichtquelle (BESSY III) bereits jetzt erfolgreich auf die Helmholtz-Roadmap für große Infrastrukturen gebracht und sich entschlossen, diese Quelle als Vorschlag für die nächste Ausschreibung der nationalen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen des BMBF einzubringen. BESSY III des HZB im VUV und weichen Röntgenbereich, die geplante DALI-Quelle am HZDR im Terahertz- und Infrarotbereich und die geplante PETRA IV-Quelle am DESY im harten Röntgenbereich werden sich optimal ergänzen.

Weitere wichtige Labor-Infrastrukturen für die Energie-Material-Forschung entstehen zurzeit auf dem Lise-Meitner-Campus am Standort Wannsee. Zum Beispiel das ZEISS Lab@location mit modernsten Elektronenmikroskopen oder die großen Laserlabore. Diese Laborkomplexe werden - wie BESSY II und BESSY VSR - auch externen Nutzern offenstehen und den Campus Wannsee attraktiv für Gäste aus der ganzen Welt machen. Anke Kaysser-Pyzalla ist überzeugt: »Im Jahr 2020 wird das HZB für eine erstklassige Energie-Material-Forschung und den Betrieb der Photonenquelle BESSY II / BESSY VSR für die internationale Nutzergemeinschaft stehen. Im Idealfall gibt es in 2020+ erste industriell hergestellte Prototypen für die Energiewandlung und -speicherung, die ihren Ursprung im HZB haben. Bis 2030 wird das HZB in der Energie-Material-Forschung mit Fokus auf Dünnschichtsystemen eine weltweit führende Rolle einnehmen.«

PERSPEKTIVKOMMISSION

Die Gesellschafter des HZB, der Bund und das Land Berlin, haben 2014 eine Perspektivkommission (PK) beauftragt, um die Entwicklung des HZB seit der Fusion von HMI und BESSY GmbH zum Helmholtz-Zentrum Berlin und die zukünftige strategische Ausrichtung zu bewerten sowie Empfehlungen zu formulieren. Das Einsetzen dieser Perspektivkommission war im Rahmen des Fusionsprozesses in 2008 vereinbart worden.

Ihr Fazit nach der Begutachtung 2015: Die Perspektivkommission zeigte sich sehr beeindruckt von der Entwicklung des HZB in den sechs Jahren seit seiner Gründung. Sie teilt die Vorstellungen des HZB zu seiner zukünftigen strategischen Ausrichtung und ermutigt das HZB, den eingeschlagenen Weg weiterzugehen. »Die enge Kopplung von Energieforschung und Großgerät [BESSY II] bietet einmalige Chancen für die Forschung und wird von der PK ausdrücklich befürwortet. Insbesondere die Möglichkeiten für zeitaufgelöste Messungen, die durch die Entwicklung des Speicherrings für variable Pulslängen (BESSY-VSR) entstehen sollen, sind für die Energieforschung hochinteressant«.