Schubkraft für Spitzenforschung aus Deutschland
Das Cover von der Helmholtz Photon Science Roadmap. © Vlnr: HZDR/S.Floss, HZB/S.Steinbach und DESY / C.Schmid
Drei Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft haben eine gemeinsame Zukunftsplanung für die Forschung mit den von ihnen betriebenen wissenschaftlichen Lichtquellen in Hamburg, Berlin und Dresden entwickelt. Die in ihrer Strategie vorgeschlagenen Upgrades ihrer beschleunigerbasierten Weltklasseanlagen stärken den Forschungsstandort Deutschland und werden in vielen Bereichen für Innovationen sorgen. Das Strategiepapier wurde auf dem Helmholtz-Symposium „Forschungsinfrastrukturen der Zukunft“ am 28. Juni als Bestandteil der Helmholtz-Roadmap vorgestellt.
Die Lichtquellen der Helmholtz-Gemeinschaft ergänzen sich komplementär und sind wahre Multitalente: Sie enthüllen das Coronavirus und spüren Kandidaten für neue Medikamente auf. Sie analysieren Katalysatoren, die mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen und so Wegbereiter für eine klimaneutrale Wirtschaft sein können. Sie liefern Erkenntnisse über neuartige Materialien, die die Digitalisierung voranbringen. Zusammen sichern diese Lichtquellen in vielen weiteren Bereichen den Innovationsvorsprung für Deutschland.
Professor Helmut Dosch, Koordinator des Helmholtz-Forschungsbereichs Materie und Vorsitzender des DESY-Direktoriums erklärt: „Beschleunigerbasierte Großforschungsanlagen sind unverzichtbar für Forschungsprojekte aus allen wissenschaftlichen Disziplinen. Mit unseren Lichtquellen in Hamburg, Berlin und Dresden erfüllen wir deshalb einen essenziellen gesellschaftlichen Auftrag und sichern Deutschlands internationale Spitzenstellung in diesem dynamischen Zukunftsfeld.“
Damit dies auch künftig so bleibt, müssen schon heute die Anlagen für morgen geplant werden. Deshalb haben die drei Helmholtz-Zentren in Hamburg (DESY), Berlin (HZB) und Dresden (HZDR) gemeinsam eine nationale Strategie zur Weiterentwicklung beschleunigerbasierter Lichtquellen erstellt. Die Forschungszentren verbindet, dass sie ihre Forschungsgroßgeräte im internationalen Wettbewerb erfolgreich betreiben.
Professor Sebastian M. Schmidt, Wissenschaftlicher Vorstand des HZDR, ergänzt: „Genau das zeichnet die Helmholtz-Gemeinschaft aus: Wir haben schon heute die Fragen der Zukunft im Blick. Nur so kann es uns immer wieder gelingen, vorausschauend Forschungsthemen von morgen zu identifizieren und auch die entsprechenden Infrastrukturen zu planen, um wegweisende Lösungen zu entwickeln. Um dies zu erreichen, werben wir nun für breite Unterstützung unserer Strategie.“
Die geplanten Modernisierungen geben der Forschung einen Schub in Richtung Zukunft: Mit den verbesserten Lichtquellenentstehen in Deutschland einzigartige Forschungsmöglichkeiten unter anderem zu Hightech-Materialien sowie in den Feldern Umwelt, Energie, Informationstechnologie, Medizin und Kulturerbe.
Professor Jan Lüning, Wissenschaftlicher Geschäftsführer des HZB, betont: „Unsere Anlagen ergänzen sich optimal. Durch ihre komplementären Ausrichtungen decken sie die von der Wissenschaft benötigten Experimentiertechniken umfassend ab. Die Anlagen garantieren damit, auch zukünftigen Herausforderungen aus Wissenschaft und Industrie gewachsen zu sein und so international eine Spitzenstellung inne zu haben.“
Die geplanten Updates hier kurz skizziert:
Bei DESY in Hamburg soll der Ausbau der bestehenden Lichtquelle PETRA III zu PETRA IV erfolgen. Das dort bereitgestellte Röntgenlicht bildet atomare Strukturen von Materialien unter Live-Prozessbedingungen ab. Leistungsfähigere Batterien, neue medizinische Wirkstoffe gegen Volkskrankheiten oder maßgeschneiderte Materialien für die Quantenelektronik: Mit den dann tiefen Einblicken in den Nanokosmos entstehen wissenschaftliche Fortschritte. Nach Fertigstellung ist DESYs 3D-Röntgenmikroskop weltweit einzigartig.
BESSY III wird die neue Entdeckungsmaschine für die Energie- und Materialforschung. Die weichen Röntgenstrahlen offenbaren ortsaufgelöste Informationen über elektronische Eigenschaften. Sogenannte Operando-Techniken erlauben Echtzeitforschung, die neue Einblicke in die Funktionalität von Materialien ermöglichen. Hightech-Materialien für künstliche Fotosynthese zur Herstellung von grünem Wasserstoff sowie für Quantencomputer werden damit realistisch.
In Dresden entsteht eine neue Forschungsanlage mit zwei supraleitenden Elektronenbeschleunigern: DALI. Diese liefert Terahertz- und Vakuum-Ultraviolett-Strahlung. Mit ihrem Licht sollen Materialien zur ultraschnellen Datenverarbeitung entschlüsselt werden, die zB. die Nachfolger des 5G-Mobilfunkstandards werden können. Auch die Biophysik wird von der neuen Anlage profitieren, denn sie ermöglicht nicht nur die Beobachtung von Stoffwechselprozessen auf der zellulären Ebene, sondern sogar deren gezielte Steuerung.
Als weitere Maßnahme soll der Freie-Elektronen-Laser FLASH2020+ am Standort DESY kontinuierlich modernisiert werden. Mit Abschluss der Umbauphase wird die FLASH-Anlage eine weltweit führende Position im Bereich der Freie-Elektronen-Laser für weiche Röntgenstrahlung sowie Terahertz-Licht haben.
Zur Gesamtstrategie der Helmholtz Photon Science Roadmap zählt außerdem die weitere Beteiligung an dem international betriebenen Röntgenlaser European XFEL.
Drei Zentren, eine Strategie
Eine Zusammenfassung der Nationalen Strategie zur Weiterentwicklung beschleunigerbasierter Lichtquellen bietet die Broschüre „Forschung und Innovation stärken“ (Tablet optimierte PDF auf 16 Seiten, zum Download siehe rechte Spalte).
Die Langfassung der Photon Science Roadmap finden Sie auf der Helmholtz-Seite:
https://www.helmholtz.de/forschung/materie/
Was ist eine beschleunigerbasierte Lichtquelle (Photonenquelle)?
- Mit beschleunigten Elektronen werden höchstintensive Lichtpulse erzeugt, mit Wellenlängen von Infrarot bis jenseits des Röntgenbereiches. Mit diesem Licht werden nahezu alle Materialien und Proben untersucht.
- Zu Photonenquellen zählen Speicherringe und Freie-Elektronen-Laser (FEL). Sie unterscheiden sich in Zweck und Aufbau: Speicherringe sind ringförmig und erzeugen kurze Lichtpulse mit hoher Gesamtintensität; FEL sind linear und erzeugen ultra-kurze extrem intensive Laserblitze.
- Diese wichtigen Forschungsinfrastrukturen sind zum Teil kilometerlang.
Gemeinsame Pressemitteilung, HZB in Berlin, HZDR Dresden-Rossendorf und DESY in Hamburg.
Medienkontakt:
HZDR: Simon Schmitt
Tel.: +49 351 260 3400 | Mobil: +49 175 874 2865 | E-Mail: s.schmitt@hzdr.de
HZB: Dr. Ina Helms
Tel.: +49 30 8062 - 42034 I E-Mail: ina.helms@helmholtz-berlin.de
DESY: Dr. Thomas Zoufal
Tel.: +49 40 8998 1666 I E-Mail: thomas.zoufal@desy.de
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.