MATERIALFORSCHUNGSSTRATEGIE DER HELMHOLTZ-GEMEINSCHAFT - Stand April 2021
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Materialien
&
Nachhaltigkeit
Photovoltaik
Gesundheit
Leichtbau
Bioökonomie
MATERIALFORSCHUNGSSTRATEGIE
DER HELMHOLTZ-GEMEINSCHAFT
Stand April 2021
INHALT
VORWORT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
I. MATERIALFORSCHUNG IN DER HELMHOLTZ-GEMEINSCHAFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
II. ZIELSETZUNG DER MATERIALFORSCHUNGSSTRATEGIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
III. BETEILIGTE FORSCHUNGSBEREICHE UND DEREN KOMPETENZEN
IN DER MATERIALFORSCHUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Materialforschung im FB Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Materialforschung im FB Materie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Materialforschung im FB Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Materialforschung im FB Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr (LRV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Materialforschung im FB Erde und Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Materialforschung im FB Gesundheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
IV. IMPLEMENTIERUNG DER HELMHOLTZ-MATERIALFORSCHUNGSSTRATEGIE 22 . . . . . . . . . .
Struktur und Vernetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Innovation und Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Talentförderung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Förderinstrumente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
V. SCHWERPUNKTTHEMEN UND PLATTFORMEN
DER HELMHOLTZ-MATERIALFORSCHUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Querschnittsthema „Materialien und Nachhaltigkeit“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Schwerpunktthema „Materialien in der Informationstechnologie“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Schwerpunktthema „Batteriematerialien“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Schwerpunktthema „Materialien für die Wasserstofftechnologie“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Schwerpunktthema „Photovoltaische Materialien“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Schwerpunktthema „Materialien für die Gesundheit“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Schwerpunktthema „Biobasierte- und -inspirierte Materialien in der Bioökonomie“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Schwerpunktthema „Materialien für Leichtbau“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Methoden-Plattform „Beschleunigte Materialentwicklung“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Methoden-Plattform „Korrelative Multi-Methoden Materialcharakterisierung“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
VI. FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN UND GROSSGERÄTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Synthese und Strukturierung von Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Charakterisierung von Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Virtualisierung und Simulation von Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Zukünftige Forschungsinfrastrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
IMPRESSUM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3
VORWORT
Vorwort
Die Materialforschungsstrategie der Helmholtz-Gemeinschaft stellt die mittel- und
langfristigen strategischen Ziele zur Entwicklung neuer und verbesserter Materialien
dar. Zu diesen Materialien gehören sowohl Nanomaterialien als auch Struktur- und
Funktionswerkstoffe zur Lösung drängender gesellschaftlicher Fragestellungen, wie
z.B. Materialien für die Energiewende (Solarzellen, Stromspeicher, Brennstoffzellen
und Wasserstofftechnologie), den Leichtbau sowie die Informationstechnologie, bis
hin zu innovativen Materialien für die Gesundheitsforschung. Dabei soll die gesamte
Wertschöpfungskette vom Material bis zum System adressiert werden.
Die programmatische Forschung, vor allem in den Forschungsbereichen (FB) Infor-
mation, Materie und Energie bildet das Rückgrat für die strategische Positionierung
der Helmholtz-spezifischen Materialforschung. Weitere wichtige Beiträge kommen
aus den FB Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr, Gesundheit sowie Erde und Umwelt.
Dadurch wird eine zukunftsorientierte und themenübergreifende Entwicklung und
Anwendung von neuen Materialien und Charakterisierungsmethoden erzielt. Dafür
werden thematische Brücken zwischen den FB in der Helmholz-Gemeinschaft auf-
und ausgebaut und die Kompetenzen in einem Netzwerk FB-übergreifend nutzbar
gemacht.
Die Helmholtz-Materialforschung weist die folgenden Alleinstellungsmerkmale im na-
tionalen und internationalen Wissenschaftssystem auf: die Synergieeffekte durch die
Kombination der in den einzelnen FB vorhandenen Expertisen, der langfristige, pro-
grammatische sowie programm- und forschungsbereichsübergreifende Forschungs-
ansatz und die Nutzung von herausragenden Forschungsinfrastrukturen.
Dargestellt wird zunächst ein Überblick der aktuellen und zukünftigen Ziele der bei-
tragenden Forschungsbereiche auf dem Gebiet der Materialforschung. Hierauf auf-
bauend werden die Aktivitäten der Helmholtz-Materialforschung in Form von metho-
den-orientierten „Plattformen“ und anwendungsorientierten „Schwerpunktthemen“
aufgezeigt und ein essentieller Bestandteil zur Implementierung der Helmholtz-Mate-
rialforschungsstrategie sein.
Die Helmholtz-Gemeinschaft leistet somit zum BMBF-Impulspapier zur Materialfor-
schung einen herausragenden Beitrag und stärkt die internationale Sichtbarkeit und
Konkurrenzfähigkeit Deutschlands auf dem Gebiet der Materialforschung. Die Ma-
terialforschungsstrategie ist mit den Strategien zur Digitalisierung und der Quanten-
technologie in der Helmholtz-Gemeinschaft eng verzahnt und ergänzt diese inhaltlich.
5
I. MATERIALFORSCHUNG IN DER HELMHOLTZ-GEMEINSCHAFT
I. Materialforschung
in der Helmholtz-Gemeinschaft
6
Die Materialforschung verbindet interdisziplinäre wis- Die langfristige programmatische Forschung, vor allem
senschaftliche Ansätze aus den Natur- und Ingeni- in den Forschungsbereichen (FB) Information, Materie
eurwissenschaften und stellt somit für eine Vielzahl und Energie, bildet das Rückgrat für die strategische
von gesellschaftlich relevanten Herausforderungen Positionierung der Helmholtz-spezifischen Materialfor-
Lösungsoptionen bereit. Insbesondere in den großen schung. Weitere wichtige Beiträge kommen aus den
Herausforderungen Energiewende, Informations- und FB Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr sowie Erde und
Kommunikations-Technologie, Gesundheit, Umwelt- Umwelt. Für die Gesundheitsforschung verspricht die
schutz und Klimawandel hängen wesentliche technolo- Schnittstelle von innovativen Materialien und Stamm-
gische Innovationen und damit verbundene wirtschaft- zellforschung bahnbrechende Fortschritte für die Me-
liche Wertschöpfung und technische Souveränität dizin und neue Heilungsmethoden. Wir erzielen eine
direkt oder indirekt von Materialien und deren Erfor- zukunftsorientierte und themenübergreifende Ent-
schung, Entwicklung und Optimierung ab. Die Material- wicklung und Anwendung von neuen Materialien und
forschung schafft damit die Basis für innovative Funk- Charakterisierungsmethoden. Dafür werden themati-
tionalität und nachhaltige Nutzung von Bauteilen und sche Brücken zwischen den FB in der Helmholtz-Ge-
Systemen. Voraussetzung hierfür ist die genaue Kennt- meinschaft auf- und ausgebaut und die Kompetenzen
nis des Aufbaus der Materialien von der atomaren über in einem Netzwerk gebündelt mit weiteren Verbindun-
die mesoskopische bis zur makroskopischen Ebene, gen zur Digitalisierungsstrategie, den Aktivitäten in der
der mit höchster zeitlicher und räumlicher Auflösung Quantentechnologie („Quanten Roadmap“) und Was-
in der Helmholtz-Gemeinschaft untersucht wird. Damit serstofftechnologie („Kompetenzatlas Wasserstoff“)
können mechanische, physikalische, chemische und in der Helmholtz-Gemeinschaft. Die hier vorgestellte
biologische Eigenschaften eingestellt werden. Mit dem Materialforschungsstrategie hat vor allem die Vernet-
damit einhergehenden zunehmenden grundlegenden zung von methoden- und informationsbasierten Ansät-
Verständnis komplexer Struktur- und Eigenschaftsbe- zen der Materialforschung mit den unterschiedlichen
ziehungen eröffnet die Digitalisierung eine neue Ära Anwendungsgebieten im Blick. Die Helmholtz-Gemein-
des wissensbasierten Materialdesigns mit informa- schaft wird somit, wie im Impulspapier des BMBF zur
tionsbasierter Forschung und virtuellem Design zur Materialforschung gefordert, die internationale Sicht-
Entwicklung neuer Materialien und Materialkonzepte barkeit und Konkurrenzfähigkeit Deutschlands auf dem
entlang des gesamten Lebenszyklus. Gebiet stärken.
7
II. ZIELSETZUNG IN DER MATERIALFORSCHUNGSSTRATEGIE
II. Zielsetzung der Materialforschungsstrategie
Übergreifend über die Forschungsbereiche bündelt die dem FB Gesundheit auch unter dem Aspekt der Digita-
hier vorliegende Helmholtz-Materialforschungsstrate- lisierung und der Biologisierung, also der zunehmenden
gie die Kompetenzen und Ressourcen der Forschungs- Integration von Prinzipien der Natur in die Material- und
bereiche (FB) Information, Materie, Energie, Luftfahrt, Produktentwicklung, ausgebaut. Dies geschieht auf
Raumfahrt und Verkehr, Gesundheit sowie Erde und der Basis bestehender Erfahrungen und Kompeten-
Umwelt in der Helmholtz-Gemeinschaft. Ziel ist es, die zen der einzelnen FB. Das Forschungsportfolio wird
Materialwissenschaftsaktivitäten der verschiedenen entsprechend strategisch entwickelt – auch durch die
Helmholtz-Zentren und Programme enger zu verschrän- Ausgestaltung von FB-übergreifenden Querschnittsakti-
ken, vor allem in Bezug auf verwendete Methoden und vitäten in der PoF IV-Periode. Alleinstellungsmerkmale
konkrete Anwendungen („Schwerpunktthemen“) ent- im nationalen und internationalen Wissenschaftssys-
lang der großen gesellschaftlichen Fragen, und damit tem der Helmholtz-Materialforschung werden durch
die Sichtbarkeit zu erhöhen. Durch die Partnerschaft die Weiterentwicklung und Nutzung von einzigartigen
der beteiligten Materialforschungszentren (DESY, DLR, Großanlagen und Forschungsinfrastrukturen, durch Sy-
FZJ, GSI, HZB, HZDR, HZG, KIT) werden für die Spitzen- nergieeffekte zwischen den vielfältigen Expertisen der
forschung völlig neue Nutzungsmöglichkeiten in der FB und durch die langfristige, programmatische sowie
Materialmodellierung, -synthese und -charakterisierung programm- und forschungsbereichsübergreifende For-
an einzigartigen Forschungsinfrastrukturen geschaffen schung erzielt.
und in Zusammenarbeit mit Forschungszentren aus
DIE WICHTIGSTEN ZIELE DER HELMHOLTZ MATERIALFORSCHUNGSSTRATEGIE SIND
• die Digitalisierung der Materialwissenschaft in der Datenerfassung und im Forschungsdaten-
management und durch weiteren Ausbau von Simulation und Ansätzen zum „digitalen Zwilling”
von Materialsystemen
• die beschleunigte Entwicklung von Materialien in den verschiedensten Anwendungen
für verbesserte Materialeigenschaften und Nachhaltigkeit
• die Entwicklung und Bereitstellung neuer Hochdurchsatz-Methoden für die Synthese und
Charakterisierung von Materialien
• der komplentäre Ausbau und die Nutzung der Helmholtz-weiten Großgeräte und
Forschungsinfrastrukturen für die Materialforschung
• die Talentgewinnung und -förderung für den Erhalt und Ausbau der Kompetenzen in Wissenschaft
und Industrie
• die Gestaltung von Technologie- und Wissenstransfer zur nachhaltigen Bewältigung gesellschaftlicher
Herausforderungen in Kooperation über die Forschungsbereiche und mit Partnern in Wirtschaft
und Gesellschaft
8
Es ist offensichtlich, dass der Fortschritt in den ma- von Erkenntnis, die Entwicklung neuer Technologien und
terialgetriebenen Innovationen auch einen effizienten Verfahren und die einmaligen Infrastrukturen der Helm-
Transfer von Forschungs- und Entwicklungsergebnissen holtz-Gemeinschaft sind die Grundlage für den intensiven
über die gesamte Kette vom atomaren Aufbau bis hin Dialog mit der Industrie, über den die Ergebnisse der Ma-
zum komplexen Materialsystem und Bauteil im Einsatz terialforschung der Helmholtz-Gemeinschaft wirtschaft-
benötigt. Entsprechend ist es eine zentrale Aufgabe lich umgesetzt werden (Technologietransfer). Gleichzeitig
der Materialforschungsstrategie, die Basis für umfas- erlaubt der Dialog mit Gesellschaft und Politik eine Rah-
sende Zusammenarbeiten der beteiligten Partner zu mensetzung für neue Materialien und Anwendungen.
erweitern und durch erzeugte Synergien in der Mate-
rialforschung die Helmholtz-Gemeinschaft gezielt als
Forschungs- und Technologiepartner in anwendungs-
bezogenen Kooperationen zu etablieren. Somit werden
einerseits Instrumente und Methoden für modernste
Materialentwicklung erstellt und Kooperationspartnern
zugänglich gemacht („Methodenplattformen“). Anderer-
seits werden aber auch die Anforderungen entlang der
gesamten Wertschöpfungskette inklusive notwendiger
Bestrebungen zur Nachhaltigkeit von der Entwicklung
über die Synthese und Charakterisierung bis hin zum
marktreifen Produkt im Verbund und in der Kooperation
mit nationalen und internationalen Forschungseinrich-
tungen bearbeitet. Die wissenschaftliche Gewinnung
9
III. BETEILIGTE FORSCHUNGSBEREICHE UND DEREN KOMPETENZEN IN DER MATERIALFORSCHUNG
III. Beteiligte Forschungsbereiche und Deren
Kompetenzen in der Materialforschung
INFORMATION ENERGIE
LUFTFAHRT, RAUMFAHRT
MATERIE UND VERKEHR
ERDE & UMWELT GESUNDHEIT
10Die Helmholtz-Gemeinschaft stellt als Wissenschafts- großen Forschungsinfrastrukturen Materialien gezielt
organisation mit 19 naturwissenschaftlich-technischen modifiziert und spezifische Aspekte der Synthese und
und medizinisch-biologischen Forschungszentren in den Charakterisierung von Materialien und Aufklärung von
unterschiedlichsten Bereichen Expertise in der Materi- Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und Dynamik be-
alwissenschaft bereit. Dies umfasst insbesondere die trachtet („methoden-getrieben“). Komplementär dazu
großen Infrastrukturen zur Materialcharakterisierung, leistet die Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Modifizierung, und Simulation, die wissenschaftliche in den FB Energie sowie Luftfahrt, Raumfahrt und Ver-
Expertise zur Materialsynthese, theoretische Ansätze kehr (LRV), aber auch in den FB Gesundheit und Erde
der Digitalisierung der Materialwissenschaft sowie die und Umwelt wesentliche Beiträge zur spezifischen
Werkstofftechnik als wichtige Grundlage der Technolo- Technologieentwicklung („anwendungs-getrieben“) wie
gieentwicklung in den Anwendungsdomänen wie Ener- in Abbildung 1 dargestellt.
gie, Mobilität und Information. Diese sich ergänzenden
Expertisen sind in den verschiedenen Forschungsberei- Im Folgenden werden die Kernkompetenzen der FB
chen (FB) und Programmen strategisch aufgestellt. Information, Materie und Energie sowie die Infrastruk-
turen ausführlich dargestellt, um die bereits vorhande-
Der FB Information wird im Rahmen der PoF IV als nen Voraussetzungen für eine Helmholtz-weite Materi-
zentrale Verknüpfung von Materialforschung, Digitali- alforschung aufzuzeigen. Die Verknüpfungspunkte zur
sierung und Biologisierung ausgestaltet („informations- Materialforschung in den FB Erde und Umwelt (EuU),
getrieben“). Im FB Materie werden mit den verfügbaren Gesundheit sowie LRV werden kurz beschrieben.
ndungs-getrieb
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ENERGIE
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Abb. 1: Materialforschung in der Helmholtz-Gemeinschaft – Komplementäre Kernkompetenzen der Forschungsbereiche.
11III. BETEILIGTE FORSCHUNGSBEREICHE UND DEREN KOMPETENZEN IN DER MATERIALFORSCHUNG
Materialforschung im FB Information
Im Forschungsbereich (FB) Information werden Metho- in Reinrauminfrastrukturen und stellt dedizierte Charak-
den zum Design neuer Materialien generisch entwickelt terisierungsmethoden inklusive in situ und operando Be-
und anhand ausgewählter Anwendungen validiert, zu de- obachtungen im Bereich der Elektronenmikroskopie und
nen Stofftrennungs- und Speichertechnologien, Photonik, Spektroskopie bereit. Zudem wird auf eine digitale smarte
Leichtbau, Informationstechnologie und Medizin gehören. Prozesstechnik z.B. für Halbzeuge aus innovativen Leicht-
Mit der Betrachtung der Wertschöpfungskette vom Ma- bauwerkstoffen oder Materialien für die Medizintechnik fo-
terial bis zum System wird ein besonderer Schwerpunkt kussiert. Zusammengenommen führt dies zu der Entwick-
auf künstliche und biologische Informationssysteme und lung „digitaler Zwillinge”, die den gesamten Lebenszyklus
-technologien gelegt. Der Forschungsbereich entwickelt eines Materialsystems umfassen sollen.
Prozesse zur Materialsynthese und -strukturierung auch
12Die Aufgabe des Forschungsbereichs Information ist es, selbstlernende neuromorphe Systeme als Basis für die Re-
methoden- und technologieorientiert Grundlagen für die alisierung von Industrie 4.0 und von autonomen Systemen
digitale Transformation von Wissenschaft, Wirtschaft sowie die Quantenmaterialien und das Quantencomputing
und Gesellschaft zu schaffen. In der PoF IV wird im For- für die Berechnung komplexer Systeme und mit potenziel-
schungsbereich Information nutzeninspirierte Grundla- len Anwendungen in vielen anderen Bereichen (z.B. zur
genforschung mit einem spezifischen Forschungsportfolio Verbesserung der Datensicherheit, Kommunikation oder
betrieben werden (siehe nachfolgende Beschreibungen Metrologie). Die Koordination dieser Forschungsfelder in
der Programme). Die hierfür im Forschungsbereich In- einem Programm eröffnet einmalige Chancen des Wissens-
formation verorteten Material- und Neurowissenschaften transfers und der interdisziplinären Zusammenarbeit. So
wirken dabei als Grundlage, Treiber und gleichzeitig als ist das Programm von zentraler Bedeutung für die lebens-
Anwendungsfelder der Informationstechnologie. wissenschaftliche Grundlagenforschung des Forschungs-
bereichs und deren Brückenschlag hin zur Integration bio-
logischer Prinzipien in technische Lösungen.
PROGRAMM „ENGINEERING DIGITAL FUTURES:
SUPERCOMPUTING, DATA MANAGEMENT AND
INFORMATION SECURITY FOR KNOWLEDGE PROGRAMM „MATERIALS SYSTEMS
AND ACTION “ ENGINEERING“
Das Hauptziel besteht darin, Lösungen für die methodolo- Zielsetzung ist es, auf Basis von experimentellen und theo-
gischen, technischen, instrumentellen, organisatorischen retischen Arbeiten die Transformation zu einer virtuellen
und gesellschaftlichen Herausforderungen zu entwickeln, und datengetriebenen Materialforschung voranzutreiben,
mit denen moderne Wissenschaft, Technik, Industrie und um (i) die Digitalisierung der Materialwissenschaft und
Gesellschaft im Zeitalter der digitalen Transformation kon- Werkstofftechnik durch Erzeugung digitaler Abbilder der
frontiert sind. Wichtig sind die Entwicklung neuartiger Me- Materialien, der relevanten Prozesse und Anwendungen zu
thoden und Werkzeuge zur Simulation und Datenanalyse ermöglichen und durch prädiktive Ansätze zu beschleuni-
sowie der Aufbau und Betrieb strategischer Infrastruktu- gen, sowie (ii) die Erforschung und Simulation multifunk-
ren, insbesondere im Hinblick auf Exascale-Computing, tionaler Materialsysteme über die gesamte Prozesskette
für deren Erprobung die Materialforschung ein wichtiges bis zur Translation (Lebenszyklusanalyse) zu realisieren.
Anwendungsfeld darstellt und auf einen deutlich stärke- Das Spektrum der zu untersuchenden Materialsysteme
ren Schwerpunkt auf dem Gebiet der Forschung zu IT- umfasst sowohl die atomare und molekulare Ebene als
Sicherheit. Ergänzt werden diese Anstrengungen, die auf auch aktive und responsive Hybrid- bzw. Verbundwerkstof-
exzellenter Informatik und Informationstechnik basieren, fe, photonische Materialien, smarte bioaktive Werkstoffe
durch begleitende Ansätze, um hierbei die gesellschaftli- und hierarchisch organisierte, skalenüberschreitend kon-
chen Innovationspotentiale, Wertschöpfungsketten, Ak- zipierte Materialsysteme mit ggf. spezifischen Funktiona-
zeptanzfragen, aber auch mögliche Risiken ganzheitlich in litäten.
den Blick zu nehmen.
Durch die virtuelle und datengetriebene Materialentwick-
lung sowie in Verbindung mit einem einheitlichen Daten-
PROGRAMM „NATURAL, ARTIFICIAL AND managementkonzept soll mittel- bis langfristig eine in-
COGNITIVE INFORMATION PROCESSING “ verse Materialentwicklung ermöglicht werden, d. h. eine
rationale Ableitung von Materialeigenschaften aus den
Das Programm hat eine koordinierende Rolle in verschie- am Markt geforderten Produkteigenschaften, unter expli-
denen Initiativen, die sich den großen Herausforderun- ziter Berücksichtigung der Nachhaltigkeit der Materialien
gen der fortschreitenden Digitalisierung stellen. Durch (Lebenszyklusanalyse). Hierbei werden auch die Aktivitä-
die Erforschung der verbindenden Elemente von unbe- ten der BMBF-Initiative „MaterialDigital” miteingebunden.
lebter Materie und biologischen Systemen (inklusive des Die Materialwissenschaft wird zum Motor einer schnellen
menschlichen Gehirns) soll ein umfassendes Verständnis Weiterentwicklung der Informationsverarbeitungstechnik
der grundlegenden Regeln von Informationsverarbeitung (vollautomatisierte Strukturanalyse, datengetriebene Ma-
erreicht werden, um dieses dann so anzupassen, dass für terialentwicklung) sowie der Modellierung und Simulation
die nächste Generation von Computersystemen neue Prin- (ab initio Rechnung, molekulardynamische Simulation,
zipien entwickelt werden können. Dazu gehören insbeson- Multiskalensimulation).
dere die Themen Energieeffizienz als Technologietreiber,
13III. BETEILIGTE FORSCHUNGSBEREICHE UND DEREN KOMPETENZEN IN DER MATERIALFORSCHUNG
Materialforschung im FB Materie
Der Forschungsbereich Materie verfügt über besondere Forschungsinfrastrukturen erlauben u.a. Untersuchungen
Kompetenzen bei Entwicklung, Bau, Betrieb und Nutzung auf extrem kurzen bis zu atomaren Längen- und Zeitska-
von großen Forschungsinfrastrukturen für disziplinüber- len. Im MML Programm werden die detaillierte Struktur
greifende Fragestellungen zur Charakterisierung, Modifi- und die elektronischen, optischen, magnetischen und che-
kation und Synthese von Materialien. Dabei geht es vor mischen Eigenschaften von Materie und Materialien sowie
allem darum, ein vertieftes, mikroskopisches Verständnis elektronische, katalytische und (bio-)chemische Prozesse
von Materie, Materialien und biologischen Systemen zu erforscht. Unter gezielter Nutzung der MML-Großgeräte
erhalten. Bei den herausragenden Forschungsinfrastruk- und deren diagnostischen Möglichkeiten erfolgen diese
turen des FB Materie handelt es sich unter anderem um Untersuchungen auf allen relevanten Längen- und Zeits-
Großgeräte, die Photonen, Neutronen und Ionenstrahlen kalen. Vertiefte Kenntnisse über diese Prozesse durch in
sowie höchste elektromagnetische Felder zur Verfügung situ und operando Studien und ihre Kontrolle dienen dazu,
stellen. funktionale Materialien und Werkstoffe für neuartige Bau-
elemente und Anwendungen zu entwickeln.
Vor allem im PROGRAMM „VON MATERIE ZU MATE-
RIALIEN UND LEBEN“ (MML) steht die Materialcha- Aktivitäten im PROGRAMM „MATERIE UND TECHNOLO-
rakterisierung und Untersuchung von Struktur-Eigen- GIEN“ (MT) betrachten Entwicklungen von Halbleiterde-
schaftsbeziehungen im Mittelpunkt. Die oben genannten tektoren, basierend auf Silizium aber auch Diamant und
14anderen, Materialien. Diese mikro- und auch nanostruktu- Gesundheit steht u.a. mit Untersuchungen der Dynamiken
rierten Detektoren erlauben es, hohe räumliche Auflösun- von strukturellen Änderungen in Bio-Molekülen, und mit
gen zu erreichen, um z. B. Streubilder komplizierter Syste- der Entwicklung von Bio- und chemischen Sensoren im Be-
me an Synchrotronstrahlungsquellen und FELs oder aber reich Nanotechnologie oder mit der Tumortherapie mittels
Signale bei allerhöchsten Zählraten und mit Pikosekunden- Ionenstrahlen. Materialien für die Energiewende (z.B. im
Zeitauflösung aufzuzeichnen, wie sie bei den zukünftigen Bereich Katalyse, Wasserstoff, Thermoelektrik, und Batte-
Experimenten mit höchsten Raten an Beschleunigern auf- rien) werden innerhalb des FB Materie an verschiedenen
treten. Photonen-, Neutronen- und Ionen-Großgeräten hergestellt
und charakterisiert, was wiederum die Aktivitäten im FB
Dank der Interdisziplinarität der Materialforschungsaktivi- Energie unterstützt. Ähnliches gilt für Quantenmaterialien
täten des FB Materie existieren thematische Brücken zu für zukünftige Anwendungen in der Informationstechnolo-
anderen Forschungsbereichen. Zum Beispiel wird an den gie, die auch im FB Information untersucht werden. Zu all
Ionenbeschleunigeranlagen des FB Materie die Strahlbe- dem bedarf es auch Strategien für das Management und
ständigkeit von Weltraumelektronik und Materialien unter- die Analyse von großen Datenmengen. Auch hier spielt die
sucht, die im FB LRV entwickelt und angewendet werden. Brücke zum FB Information, vor allem auch innerhalb der
Erforschung von fundamentalen Fragen zum Verhalten von geplanten Querschnittsaktivitäten zur Materialcharakteri-
Materie und Materialien unter extremen Bestrahlungs- und sierung eine gewichtige Rolle.
Druckbedingungen sind für die Anwendung von Materiali-
en in Fusionsreaktoren oder für die sichere Lagerung von
radioaktivem Abfall relevant und öffnen einen neuartigen
Weg zur Synthese neuen Materialien. Eine Brücke zum FB
15III. BETEILIGTE FORSCHUNGSBEREICHE UND DEREN KOMPETENZEN IN DER MATERIALFORSCHUNG
Materialforschung im FB Energie
Der Forschungsbereich Energie erforscht Materialien Der FB Energie betreibt zu diesem Zweck dedizier-
und Technologien für die Energiewende. Er beschäftigt te Synthese- und Charakterisierungsplattformen für
sich dabei mit Materialforschungs- und Werkstofftech- energierelevante Anwendungen (z.B. Energy Materials
nik als wesentlicher Basis neuer Technologien zur ef- Characterization Platform (HEMCP), Helmholtz Energy
fizienten Energiewandlung, -speicherung und -nutzung. Materials Foundry (HEMF) oder Energy Materials in situ
Dazu gehören auch FB-übergreifende Materialsynthese- Laboratory (EMIL@BESSY II). Darüber hinaus werden
Einrichtungen und Charakterisierungsplattformen, an methodische Entwicklungen in den Forschungsberei-
denen sich der FB Energie aktiv beteiligt. chen Information und Materie genutzt und neben der
gezielten eigenen Weiterentwicklung von Charakteri-
Fragen der Materialforschung – von neuen Materialkon- sierungs- und Modellierungsmethoden im Bereich der
zepten über deren Synthese bis zur Untersuchung ihrer Materialentwicklung für die verschiedenen Energietech-
Zuverlässigkeit – sind im FB Energie integraler Teil der nologien eingebracht.
Technologieentwicklung und ermöglichen Innovations-
sprünge bei den entsprechenden Energietechnologien.
Ziele hierbei sind vor allem angemessene Lebensdau-
ern und die Steigerung der Energieeffizienz sowie die
umweltfreundliche Energiebereitstellung und Kostenef-
fizienz in der gesamten Themenbreite innerhalb eines
Ansatzes der zirkulären Wirtschaft.
16Ein erfolgreiches Beispiel ist der schnelle Aufbau einer Das Programm bezieht vielfältige technologische Optio-
zunächst grundlagenorientierten Forschung im FB Infor- nen von den wissenschaftlichen Grundlagen für disrupti-
mation zum Thema der elektrochemischen Energiespei- ve Innovationen bis hin zur zeitnahen Anwendung neuer
cherung mit der darauffolgenden Übertragung in eine auf Technologien ein. Für alle technologischen Optionen sind
einzelne Technologien bezogene Forschung im FB Ener- kostengünstige Materialien mit hoher Leistungsfähigkeit
gie. Zur Stärkung der Themen Photovoltaik und Katalyse die Voraussetzung.
wurde in Hinblick auf die PoF IV ähnlich vorgegangen.
Generell gewährleisten die Schnittstellen zwischen den Das Programm MTET betrachtet in den folgenden fünf Pro-
Forschungsbereichen auch, dass entwickelte Methoden, grammthemen (Topics) technologische Optionen:
z.B. zum oben diskutierten virtuellen Materialdesign oder
Methoden der Materialcharakterisierung, verstärkt in der • Photovoltaik- und Windenergie
anwendungsbezogenen Forschung eingesetzt werden. • Elektrochemische Energiespeicherung
• Chemische Energieträger
• Hochtemperaturtechnologien
PROGRAMM „MATERIALIEN UND TECHNOLOGIEN • Ressourcen- und Energieeffizienz
FÜR DIE ENERGIEWENDE“ (MTET)
Die Materialforschung und -entwicklung ist dabei integra-
Die Ziele der Energiewende umfassen neben der massi- ler Teil der jeweiligen Topics, so dass die verschiedenen
ven Erhöhung des Anteils der erneuerbaren Energien auch Technologien in einer Prozesskette von der Materialfor-
eine deutliche Steigerung der Effizienz bei der Erschlie- schung bis zur Anwendung in enger Abstimmung der be-
ßung, Bereitstellung und Nutzung von Energieressour- teiligten Gruppen bearbeitet werden.
cen sowie mineralischer und metallhaltiger Ressourcen.
Daher bedarf es zum einen innovativer Technologien,
um die verschiedenen regenerativen Energiequellen
effizient und kostengünstig zu erschließen sowie in zen-
tralen und dezentralen Anwendungen optimal zu nutzen.
Zum anderen ist eine intensive Forschung und Entwicklung
zur effizienten Speicherung in Batterien, zur Erzeugung und
Nutzung von Wasserstoff sowie der gesamten Spannweite
der Power-to-X-Technologien einschließlich der Nutzung
von CO2 erforderlich, um das zukünftige Energiesystem
frei von fossilen Energieträgern und nachhaltig, das heißt
umweltverträglich, zuverlässig, bedarfsgerecht und
bezahlbar zu gestalten.
17III. BETEILIGTE FORSCHUNGSBEREICHE UND DEREN KOMPETENZEN IN DER MATERIALFORSCHUNG
PROGRAMM „FUSION“ (FUSION) PROGRAMM “NUCLEAR WASTE MANAGEMENT,
SAFETY AND RADIATION RESEARCH” (NUSAFE)
Das Programm Fusion befasst sich mit den physikalischen
Aspekten und den benötigten Technologien und Materi- Das Programm NUSAFE beinhaltet grundlegende und
alien für Bau und Betrieb von Fusionsexperimenten und angewandte Forschungsarbeiten zur sicheren nuklearen
zukünftigen Fusionsreaktoren. Entsorgung in geologischen Tiefenlagern und liefert einen
(radio-)geochemischen und (radio-)biogeochemischen Bei-
Das Topic 3 „Technologien und Materialien für die Fusion“ trag zu Standortauswahl und -charakterisierung. Darüber
umfasst Entwicklungen von Technologien und Materialien hinaus untersucht es innovative Entsorgungsstrategien für
für bestehende (Wendelstein 7-X), im Bau befindliche (JT- die Stilllegung kerntechnischer Anlagen und zur Behand-
60SA, ITER) und zukünftige Fusionsanlagen (DEMO). In lung radioaktiver Abfallströme.
ITER und DEMO werden in großem Umfang Fusionsreak-
tionen realisiert, woraus sich neue Herausforderungen bei Die materialwissenschaftliche Forschung in NUSAFE
den einzusetzenden Materialien insbesondere im Hinblick umfasst die Untersuchung radioaktiver Materialien an
auf Neutronenreaktionen ergeben. Da das Verständnis Forschungsinfrastrukturen sowie die Aufklärung des Ver-
und die Kontrolle der Plasma-Wand-Wechselwirkung ent- haltens von Konstruktionswerkstoffen unter reaktortypi-
scheidend für den effizienten Betrieb eines Fusionskraft- schen Bedingungen. Hier werden im Bereich Material- und
werks sind, sind auch zentrale Fragestellungen in Topic 4 Komponentensicherheit beispielsweise ODS-Stähle unter-
„Plasma-Wand-Wechselwirkung“ eng verbunden mit Mate- sucht.
rialaspekten, insbesondere die Wahl und Charakterisie-
rung der Wandmaterialien.
Fusionsanlagen stellen extreme Bedingungen an Struktur-
wie Funktionsmaterialien (u.a. hohe Temperaturen, Drücke
und Magnetfelder, hochenergetische Neutronen, zyklische
Wechsellasten), die neben einer geringen Aktivierbar-
keit gleichzeitig hohe Betriebsdauer und Zuverlässigkeit
garantieren sollen. Dies übersteigt die Grenzen der Wei-
terentwicklung konventioneller Werkstoffe und erfordert
innovative Werkstoffkonzepte, um sowohl die technische
Leistungsfähigkeit zu gewährleisten, als auch Nachhaltig-
keits- und Umweltaspekten Rechnung zu tragen.
Erfolgreiche Beispiele dieser seit Jahren verfolgten Stra-
tegie sind Hochtemperatur-Supraleiterkabel und Strom-
zuführungen, duktiles Wolfram, Diamantfenster, gradierte
Wolframschutzschichten und additive Fertigungsprozesse,
deren Entwicklung nicht nur die Fusion weiter nach vorne
gebracht hat, sondern Anwendungsbereiche weit über die
Fusion hinaus erschließen kann.
18Materialforschung im FB Luftfahrt, Raumfahrt
und Verkehr (LRV)
Im Fokus des FB LRV steht die Optimierung bestehender wissenschaftlichen Arbeiten dazu erstrecken sich von der
und die Entwicklung neuer Materialien für Hochleistungs- Simulation des Materials und seinen Eigenschaften auf
leichtbaustrukturen für sichere und wirtschaftliche Luft- Atom- und Gefügeebene, der Auslegung und Berechnung
und Raumfahrzeuge. Ziele sind dabei die Verbesserung der von Strukturen, der digitalen Integration der einzelnen
Wirtschaftlichkeit und der Sicherheit im Zusammenspiel Prozessschritte entlang der gesamten Prozesskette und
mit der Reduktion des Footprints der klimaschädlichen die experimentelle Validierung der Simulationskette. Der
Emissionen. Die Forschungsarbeiten adressieren dabei physische Nachweis wird konsequent in den Full-Scale-
neue metallische Legierungen und keramische Verbund- Bereich bis zur Größe eines Rumpfsegments erweitert.
werkstoffe für den Hochtemperatureinsatz in Antriebsys- Ziel ist zukünftig die digitale Bewertbarkeit von Material-
temen und neue Leichtmetalle und polymere Composites lösungen im Kontext der Struktur eines Gesamtflugzeugs
für Luft- und Raumfahrtstrukturen. In diesem Zusammen- bzw. eines Träger- oder Satellitensystems. In diesem Zu-
hang eröffnet der 3D-Druck neue Designoptionen, fordert sammenhang spielen Zeit und finanzielle Aufwendungen
aber auch die Entwicklung von neuen, an das Verfahren für die Entwicklung neuer Materialien eine zunehmend
angepassten Werkstoffen der genannten Materialklassen. größere Rolle. Durch die Forschungsarbeiten im Bereich
Die Herstellverfahren der Verbundwerkstoffe und der 3D- der skalenübergreifenden, digitalen Werkzeuge in Verbin-
Druck erfordern den Einbezug aller Prozessschritte, vom dung mit dem zukünftigen Einsatz des Quantencomputers
Basismaterial bis hin zur automatisierten Produktion. und eines integrierten, digitalen Datenmanagementsys-
Nur so kann das komplexe Material optimale strukturme- tems sollen die Entwicklungszeiten und -kosten um mehr
chanischen Leistungen in der Zielstruktur erbringen. Die als 50% reduziert werden.
19III. BETEILIGTE FORSCHUNGSBEREICHE UND DEREN KOMPETENZEN IN DER MATERIALFORSCHUNG
Materialforschung im FB Erde und Umwelt
Der FB Erde und Umwelt (EuU) untersucht das Erdsystem laufwirtschaft zu erforschen, bei der der Schutz der Um-
und dessen nachhaltige Nutzung. Dabei spielen Materi- welt integraler Bestandteil des systemischen Ansatzes ist.
alien in vielerlei Hinsicht eine wichtige Rolle: Rohstoffe Bioökonomische Ansätze nutzen Biomasse und Wissen
werden aus Kompartimenten des Erdsystems entnommen über biologische Systeme auch, um umweltfreundliche
und durch und während der menschlichen Nutzung als Rohstoffe zu erzeugen und biobasierte Materialien zu ent-
Rest- und Abfallstoffe in terrestrische, marine und atmo- wickeln; biotechnologische und bionische Forschung nutzt
sphärische Systeme eingebracht. Persistente Substanzen das Wissen über biologische Systeme, um Materialien mit
und im Abbau daraus entstehende Schadstoffe sind heute neuen Eigenschaften zu entwickeln und nachhaltig zu pro-
in allen Regionen und Kompartimenten des Erdsystems zu duzieren. Zudem können neue Materialien wichtige Beiträ-
finden. In der PoF IV hat der Forschungsbereich deshalb ge für den Schutz des Erdsystems erfüllen. Darüber hinaus
auch die nachhaltige Nutzung in den Fokus genommen, hat der FB maßgebliche Expertise in der Lebenszyklusana-
um Wege zur umweltschonenden Gewinnung und Nutzung lyse, die auch in die Materialforschung Eingang finden soll.
von Rohstoffen für die Materialien im Sinne einer Kreis-
20Materialforschung im FB Gesundheit
Der FB Gesundheit erforscht die Ursachen und die Ent- initiierten Deutschen Zentren der Gesundheitsforschung
stehung der großen Volkskrankheiten. Dazu zählen Krebs, ein, um Forschungsergebnisse schneller in die klinische
Herz-Kreislauf-, Stoffwechsel-, Lungen- und Infektions- Anwendung zu überführen. Dabei spielt beispielsweise
krankheiten sowie Erkrankungen des Nervensystems. Die die Erforschung von Nanomaterialien eine wichtige Rol-
Erforschung komplexer und häufig chronisch verlaufender le für die Etablierung von intelligenten Trägersystemen,
Krankheiten erfordert interdisziplinäre Ansätze, wie z.B. welche die gezielte Wirkstoffaufnahme verbessern oder
der Einsatz von neuen Materialien, die die Helmholtz-Zen- überhaupt erst ermöglichen. Die Entwicklung künstlicher
tren gemeinsam mit Partnern aus der Hochschulmedizin, Gewebe und Organe an der Schnittstelle von Material- und
den Universitäten, anderen Forschungsorganisationen Stammzellforschung verspricht Durchbrüche für Diagnos-
und der Industrie vorantreiben. Die Helmholtz-Zentren tik, regenerative Therapie und Prävention im Sinne von
des Forschungsbereichs Gesundheit bringen ihre exzel- personalisierter Medizin.
lente Grundlagenforschung zudem auch in die vom BMBF
21IV. IMPLEMENTIERUNG DER HELMHOLTZ-MATERIALFORSCHUNGSSTRATEGIE
IV. Implementierung der helmholtz-
materialforschungsstrategie
Die Materialforschung bietet Chancen und schafft aber Weiterentwicklung der Forschungsthemen. Bereits jetzt
auch Herausforderungen, denen sich die Helmholtz- zeigt die Helmholtz-Gemeinschaft in den Forschungs-
Gemeinschaft in den nächsten Jahren mit den hier auf- bereichen und darüber hinausgehenden Aktivitäten zu-
gezeigten Kompetenzen zum Erreichen der gesteckten sammen mit nationalen und internationalen Partnern ihr
Ziele widmen wird. Für eine Umsetzung benötigt es die großes Potential, das auch auf den einzigartigen Infra-
Implementierung unterschiedlichster Maßnahmen so- strukturen beruht.
wie einen kontinuierlichen dynamischen Prozess zur
22Die Helmholtz-Materialforschungsstrategie zielt darauf, • Bildung einer FB-übergreifenden, wissenschaftlichen
dieses Potential auszubauen und durch interdisziplinäre Community innerhalb von Helmholtz (zur gegenseiti-
Ansätze innovative Lösungsbeiträge für die gesellschaft- gen Unterstützung).
lich und wirtschaftlich drängenden Fragen zu finden. Die • Effiziente Nutzung von Ressourcen in Helmholtz (ab-
Sichtbarkeit der Helmholtz-Materialforschung in der na- gestimmte Nutzung von Infrastrukturen und Planung
tionalen und internationalen Forschungslandschaft soll von großen, einmaligen Anlagen).
dabei durch folgende Eckpunkte weiter erhöht werden: • Beantwortung gesellschaftlich relevanter Fragestel-
lungen.
• Die komplementären Kompetenzen der Forschungs-
bereiche werden als Basis für die Helmholtz-Materi- Als Ausgangsszenario sind die Aktivitäten hierbei in zwei
alforschungsstrategie ausgebaut und auf ein hohes Methoden-Plattformen und anwendungsorientierte
Maß an Synergie und gegenseitiger Stärkung über- Schwerpunktthemen eingeordnet. Die Methoden-
greifender Arbeitsteilung ausgerichtet. Plattformen, „Beschleunigte Materialentwicklung“ und
• Durch den FB-übergreifenden Wissens- und Metho- „Korrelative Materialcharakterisierung“, widmen sich
denaustausch sowie den Dialog mit der Gesellschaft den übergreifenden Fragestellungen der Modellierung/
und die Zusammenarbeit mit der Industrie wird die Simulation, Synthese und Prozessierung, sowie Charak-
Innovationskraft entscheidend gestärkt. terisierung, deren Antworten für eine Vielzahl von An-
• Die bestehenden und zukünftig geplanten Großge- wendungen wichtig sind. Die im FB Information bereits
räte und Forschungsinfrastrukturen der Helmholtz- eingerichteten Joint Labs „Virtual Materials Design“
Gemeinschaft werden umfassend und synergetisch (VMD) und „Integrated Model and Data driven Material
durch die (inter-)nationale Materialforschungs-Com- Characterization“ (MDMC) stellen hierfür einen essenti-
munity genutzt. ellen Teil der informations-basierten methodisch-orien-
tierten Integration der Helmholtz-Materialforschungs-
STRUKTUR UND VERNETZUNG strategie dar. Die Schwerpunktthemen „Materialien
Die Einrichtung eines Helmholtz-weiten Materialfor- für die Informationstechnologie“, „Batteriematerialien“,
schungs-Netzwerkes wird den FB-übergreifenden Wis- „Materialien für die Wasserstofftechnologie“, „Photovol-
sensaustausch unterstützen sowie auch zur Sichtbar- taische Materialien“, sowie „Materialien für die Gesund-
keit der Materialforschung der Helmholtz-Gemeinschaft heit“, „Biobasierte- und -inspirierte Materialien in der
beitragen. Mittels strukturgebender Elemente soll die Bioökonomie“ und „Leichtbau“, beschäftigen sich mit
Forschungslandschaft in Helmholtz und deutschland- der Entwicklung von Materialien entlang der kompletten
weit gestärkt werden, um sich im internationalen Wett- Wertschöpfungskette von Atom bis zum Materialsystem
bewerb besser zu positionieren. Wesentliche Elemente in konkreten Anwendungen in gesellschaftlich hoch re-
sind dabei eine FB-übergreifende Dateninfrastruktur, levanten Themengebieten. Hierfür werden in der PoF IV
auch als Teil der Nationalen Forschungsdateninfrastruk- zusammenhängende Aktivitäten in den jeweiligen Pro-
tur (NFDI), sowie eine Übersicht zu verfügbaren Metho- grammen bereits in Topics (wie z.B. die Photovoltaik im
den und Ansprechpartnern, wodurch auch Kontakte und FB Energie, Programm Materials and Technologies for
Kooperationen mit der Industrie ausgebaut und ver- the Energy Transition) gebündelt und tragen so auch
stärkt werden. zur Weiterentwicklung der FB-übergreifenden Material-
forschung bei. Bei allen Aktivitäten werden die Nach-
Die komplementären Arbeiten der Forschungsbereiche haltigkeit und die Kreislaufwirtschaft der Materialien
(FB) werden zu ausgewählten Themengebieten zusam- als zentraler Aspekt ebenfalls betrachtet. Der gegen-
mengeführt und der auf dem Wissensaustausch beru- seitige Wissenstransfer und die Zusammenarbeit der
hende Mehrwert für die Bearbeitung in dem jeweiligen Methodenplattformen mit den anwendungsorientierten
weltweit sichtbaren und strategisch relevanten Thema Schwerpunktthemen bilden die Matrix der Helmholtz-
aufgezeigt. Diese ausgewählten Aktivitäten zeichnen Materialforschungsstrategie (siehe Abbildung 2), die in
sich durch eine kritische Größe aus und werden fol- Kapitel V ausführlich beschrieben ist.
gende Funktionen für die FB-übergreifende Materialfor-
schung haben: Geplante FB-übergreifende Aktivitäten im Rahmen der
PoF IV sind Beispiele für das Entstehen einer Wert-
• Methodische Entwicklung zum Nutzen von mehreren schöpfungskette, die von den Kompetenzen der Be-
Topics, Programmen und Forschungsbereichen in teiligten profitiert. Hierzu gehören vor allem die „Joint
Helmholtz. Labs“ innerhalb des Forschungsbereichs Information,
23IV. IMPLEMENTIERUNG DER HELMHOLTZ-MATERIALFORSCHUNGSSTRATEGIE
Helmholtz-Materialforschung
– vom Atom zum System –
Beschleunigte Materialentwicklung
Methoden-Plattformen
Wasserstoff-
technologie
Photovoltaik Batterien
Materialien
Leichtbau & ....
Nachhaltigkeit
Informations- Bio-
technologie ökonomie
Gesundheit
Korrelative Materialcharakterisierung
Abb. 2: Aktivitäten der Materialforschung in Helmholtz – weltweit sichtbare Themengebiete als gemeinsame Basis zu FB-übergreifenden Arbei-
ten. Methoden-orientierte Plattformen (grau) unterstützen anwendungsorientierte Schwerpunktthemen (dunkelblau). Von zentraler Bedeutung für
alle ist die Thematik „Materialien und Nachhaltigkeit“ (grün).
Projekte im Rahmen des IVF (z.B. Pilotprojekte inner- scheidungen gemeinsam getroffen werden können.
halb der Plattformen des Helmholtz-Inkubators Infor- Eine gelungene nationale und internationale Vernet-
mation & Data Science, die eine Brücke der Daten- zur zung sowie erfolgreicher Technologietransfer bedeu-
Materialwissenschaft schlagen und eng mit den Akti- ten einen unmittelbaren Wettbewerbsvorteil, wozu die
vitäten in der NFDI verzahnt werden sollen), sowie die Helmholtz-Materialforschungsstrategie einen entspre-
Innovationspool-Vorhaben der beteiligten FB, deren chenden Beitrag leistet. Hierzu gehören insbesondere
Themen Verbindungen zu den Forschungsbereichen
Energie, Materie, LRV und Gesundheit ermöglichen. • eine vernetzte Zusammenarbeit von Programmen
Die genannten Vorhaben werden daher auch bei der und Forschungsbereichen in der Helmholtz-Gemein-
Implementierung der Materialforschungsstrategie eine schaft zu ausgewählten Themengebieten,
wichtige Rolle als Kristallisationspunkte der Methoden- • der Ausbau des Netzwerks hin zu den Universitäten,
Plattformen spielen und die Aktivitäten der Schwer- um die Aus- und Weiterbildung bereits im Studium
punktthemen auf vielfältige Weise beeinflussen. Zur gezielt beginnen zu können,
Strukturierung des Materialforschungsnetzwerks wer- • Investitionen in einzigartige Forschungs-
den vor allem in den Schwerpunktthemen verschiedene infrastrukturen, sowie
Instrumente, wie z.B. „topical meetings“, für den Wis- • eine Transferstrategie, die gezielt Ausgründungen
senstransfer untereinander und auch für Interessen- fördert und den Weg zum Produkt ermöglicht.
ten aus der Industrie und die Anbahnung koordinierter
Drittmittelprojekte aufgebaut werden. Die Ausbildung INNOVATION UND TRANSFER
von Nachwuchswissenschaftlerinnen und -wissen- In den Fokus der industriellen Innovation rücken nach-
schaftlern über Schwerpunkthemen hinweg ist ein wei- haltige Materialien, die Ihren Einsatz in zukunftsre-
teres Anliegen, das durch die Aktivitäten innerhalb des levanten Themenfeldern wie z.B. der Energiewende
Netzwerks angegangen werden soll. haben. Somit behält die Materialforschung für die Ge-
sellschaft und den Wirtschaftsstandort Deutschland
Langfristig werden diese strukturbildenden Maßnah- ihre große Bedeutung und trägt zur technologischen
men die Materialforschung in der Helmholtz-Gemein- Souveränität1 Deutschlands und Europas bei. Vor allem
schaft stärker vernetzen, so dass strategische Ent- die beschleunigte und optimierte Materialentwicklung,
1
Unter technologischer Souveränität (TS) versteht das BMBF den Anspruch und die Fähigkeit zur kooperativen (Mit-)Gestaltung von Schlüsseltechnologien und technologiebasierten Innovationen. Diese umfasst die
Formulierung von Anforderungen an Technologien, Produkte und Dienstleistungen entsprechend der eigenen Werte und die Mitbestimmung entsprechender Standards auf den globalen Märkten. Internationale
Zusammenarbeit nimmt dabei eine wichtige Rolle ein. TS kann jedoch erfordern, in bestimmten Schlüsselbereichen (europäisch) autark agieren zu können, wenn dies zum Erhalt der staatlich-regulatorischen Souve-
24 ränität oder zur Vermeidung einseitiger Abhängigkeiten notwendig ist. Dies stellt die offenen weltweiten Wirtschafts- und Wissenschaftsbeziehungen Deutschlands nicht in Frage. Arbeitsteilung, Vernetzung und mul-
tilaterale Kooperation sind weiterhin zentrale Bausteine für die Fähigkeit Deutschlands und Europas, globale Entwicklungen nicht nur zu erdulden, sondern nach eigenen Vorstellungen und Interessen mitzugestalten.die im Zusammenhang mit der Digitalisierung möglich müssen Konzepte zur Parallelisierung, Automatisie-
wird, bietet entsprechende Lösungen, insbesondere rung und Digitalisierung sämtlicher Elemente der Ma-
wenn schon in der Entwicklungsphase der erforderli- terial- und Prozessentwicklungsketten vorangetrieben
che Ressourceneinsatz und die Produktionstechnik werden. Die Herausforderung in der Industrie sind vor
berücksichtigt werden.. Die Helmholtz-Gesellschaft allem von zwei Aspekten geprägt: Erstens, die Innova-
trägt durch die Kompetenzen Ihrer Zentren und die tionskraft eines Unternehmens wird zukünftig in vielen
dort verankerten Forschungsinfrastrukturen dazu bei, Branchen davon abhängen, dass man Produkte ausge-
der Industrie entsprechende Ansätze zu liefern. Durch hend von der Nanostruktur der Materialien und der da-
die hier vorgestellte Materialforschungsstrategie bün- mit verbundenen Funktion entwickelt, sozusagen vom
delt Helmholtz die Aktivitäten vor allem in den Schwer- „Atom zum Bauteil“. Zweitens gilt es in diesem Kontext
punktthemen und erhält damit einen unschätzbaren die Wertschöpfungsketten zu schließen, was insbeson-
Innovationsgewinn. dere durch die Möglichkeiten der additiven Fertigung
und der Flexibilisierung der Produktionsprozesse völ-
Ein zunehmend wichtiger Treiber in Wirtschaft und Ge- lig neue Dimensionen in der individuellen Gestaltung
sellschaft ist die Nachhaltigkeit (siehe auch Kapitel V). von Materialsystemen eröffnet. Dadurch können in
Dabei garantiert die tiefe und vielfältige Verankerung Deutschland Unternehmen, die frühzeitig diese Quer-
der Materialforschung als Querschnittsthema in den schnittstechnologie einbeziehen, einen eindeutigen
Forschungsbereichen eine schnelle Umsetzung von Wettbewerbsvorteil gegenüber der auf Massenproduk-
materialwissenschaftlichen Innovationen in Lösungen tion ausgelegten Industrie in Asien aufbauen. Dieses
von hoher gesellschaftlicher Relevanz. Gleichzeitig trig- stellt aber große Herausforderungen an die Entwick-
gern Anwendungsfragen mit hoher Komplexität immer lungs- und Produktionsprozesse und bedarf eines ech-
wieder materialwissenschaftliche Entwicklungen. Hier- ten Technologiewandels, zu dem Helmholtz beitragen
bei stellt sich die Helmholtz-Gemeinschaft in besonde- kann.
rer Art und Weise der zunehmenden Forderung nach
Nachhaltigkeit in Wirtschaft, Umwelt und Gesellschaft. Es wird Aufgabe von Helmholtz sein, die Schwerpunkt-
themen und Methoden-Plattformen (ähnlich mit den
Um ein international führender Spitzenstandort für im BMBF Impulspapier genannten „Werkstoffplattfor-
hochinnovative Industrieprodukte zu bleiben, ist es men“ und „Material Hubs“) aufzubauen bzw. die be-
essenziell, dass künftig der Bedarf an immer komple- reits vorhandenen Tätigkeiten zu vernetzen, um einen
xeren Materialien sowie an deren spezifischen Verar- erfolgreichen Transfer von der Grundlagenforschung
beitungs- und Recyclingtechnologien zuverlässig und zum Produkt gestalten zu können. Die analytischen
auf nationaler Ebene bedient werden kann. In vielen Instrumente der Helmholtz-Gemeinschaft bilden da-
für Deutschland besonders relevanten Industriezwei- bei einen Mehrwert, der durch kein Unternehmen und
gen machen die Materialkosten aufgrund weitgehen- auch nicht durch andere Organisationen aufgebracht
der Automatisierung der Produktion inzwischen den werden kann. Es wird insgesamt darauf ankommen,
dominierenden Kostenfaktor aus (Automobile: 50%, dass für den Transfer entscheidende Entwicklungen
Batterien: 80%). Um hier wettbewerbsfähig zu bleiben, Zentren- und FB-übergreifend aufgegriffen und auf
25IV. IMPLEMENTIERUNG DER HELMHOLTZ-MATERIALFORSCHUNGSSTRATEGIE
industrielle Bedarfe zugeschnitten werden. Hierbei ist Programmen der Helmholtz-Gemeinschaft durch eine op-
die Verbindung zu den anderen drei Außeruniversitären timierte Vernetzung auf der Ebene der Promovierenden
Forschungseinrichtungen (Fraunhofer, Leibniz, Max- noch verbessert werden und damit auch die Weiterqualifi-
Planck) ein wichtiger Baustein, um industrielle Frage- kationsmöglichkeiten, sowie Karrieren in der Wissenschaft
stellungen mit der breiten Kompetenz des deutschen gefördert werden. Dazu sollen geeignete Formate entwi-
Forschungssystems beantworten zu können. Des Wei- ckelt werden, wie z.B. Trainingsnetzwerke und Summer/
teren werden relevante Industriepartner eingeladen Winter Schools, die insbesondere die übergreifenden The-
werden, um die Verknüpfung von Forschung und indus- men der Methodenplattformen allen Promovierenden der
trieller Bedarfe zielführend voranzutreiben. Gemeinschaft näherbringt.
Wissens- und Technologietransfer wird als Teil der Beispielsweise wird für Promovierende und Postdocs der-
Helmholtz-Mission bereits erfolgreich gelebt. Mithilfe zeit ein zentrenübergreifendes „Training Network Com-
von Beratungs- und Informationsdiensten, Weiterbil- putational Materials Design: Fortgeschrittene Werkzeuge
dungsangeboten, Internet-Portalen, Bürgerdialogen, Re- und Techniken“ im Forschungsbereich Information, Pro-
allaboren und anderen Formaten wird Wissen verständ- gramm „Materials System Engineering“ geplant. Darüber
lich aufbereitet und für einen intensiven Austausch mit hinaus werden individuelle Mittel für Veröffentlichungen,
den jeweiligen Zielgruppen Politik, Verwaltung, Wirt- die Teilnahme an Konferenzen, eingeladenen Vorträgen
schaft, Zivilgesellschaft, Bildung und Medien zur Ver- und Fortbildungen bereitgestellt, um junge Forschende
fügung gestellt. Auch die Helmholtz-Schülerlabore und dabei zu unterstützen, wissenschaftlich unabhängig zu
die sogenannten Bürgerwissenschaften (Citizen Sci- werden. Weiterhin werden Studierende im Masterstudium,
ence) werden hierfür verwendet. Die Materialforschung Promovierende und Postdocs ermutigt, an spezifischen
soll sich ebenfalls solcher Formate bedienen und damit Mentoring-Programmen in der Materialforschung und ver-
einer breiten Öffentlichkeit zugänglich werden. schiedenen Personalentwicklungskonzepten der Zentren
teilzunehmen.
Interne Förderprogramme sowie Innovations- und
Transfermanager an den Helmholtz-Zentren ermögli- Im Rahmen der Materialforschungsstrategie soll des Wei-
chen es Forschungsergebnisse, Daten und Technologi- teren die Netzwerkbildung auf der Karrierestufe der Juni-
en gezielt in die Anwendung zu bringen. Der Erfolg zeigt orprofessorinnen und -professoren bzw. Nachwuchsgrup-
sich an zahlreichen Patenten, Ausgründungen und Spi- penleiterinnen und -leiter gefördert werden. Dieses wird
noffs, die auch langfristige wirtschaftliche Perspektiven durch die beteiligten Zentren auch finanziell unterstützt,
aufbauen konnten. aber von den Mitgliedern getragene Netzwerk sollen ge-
meinsame Aktivitäten wie wissenschaftliche Vortragsver-
TALENTFÖRDERUNG anstaltungen mit international ausgewiesenen Material-
Talentförderung ist eine weitere entscheidende Säule
der Materialforschungsstrategie und findet Anwendung
auf allen Ebenen der frühen aber auch weiterführenden
akademischen Karriere der Wissenschaftlerinnen und
Wissenschaftler. Bereits jetzt bietet Helmholtz durch
die Zusammenarbeit mit Universitäten in mehr als 15
Graduiertenkollegs und -schulen eine hohe Qualität zur
fachspezifischen, aber auch interdisziplinären Ausbil-
dung in der Materialwissenschaft und Werkstofftech-
nik. Zur Förderung von Promovierenden leisten dabei
die beteiligten Zentren einen entscheidenden Beitrag.
Die Vernetzung dieser Schulen durch gemeinsame Ak-
tivitäten bzw. Austauschformate soll die Schlagkraft
in der Ausbildung junger Talente noch erhöhen. Dies
wird im Rahmen des Inkubators „Information & Data
Science“ des Impuls- und Vernetzungsfonds auf dem
Gebiet der Informationstechnologie von der Helmholtz-
Gemeinschaft bereits erweitert. Insgesamt werden
also die Materialforschungsaktivitäten zwischen den
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