Centre for Molecular Water Science - Das Wassermolekül als Schlüssel zu neuen Erkenntnissen und nachhaltigen Technologien - CMWS
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Centre for Molecular Water Science Das Wassermolekül als Schlüssel zu neuen Erkenntnissen und nachhaltigen Technologien
In Zusammenarbeit mit Partnern aus ganz Europa entsteht bei DESY
das internationale „Centre for Molecular Water Science“, kurz CMWS.
Durch und durch interdisziplinär angelegt beleuchtet das CMWS
molekulares Wasser aus den unterschiedlichsten Fachrichtungen.
Es schafft die Wissensbasis für nachhaltige Technologien von morgen.
Inhalt
Executive Summary 3
Wasser: Grundlage für Leben und Technik 4
Zukunftsfeld molekulare Wasserforschung 6
Strategische Forschungsbereiche im CMWS 8
Pilotprojekte im Early Science Programme 14
Strategischer Aufbau und Weiterentwicklung des CMWS 16
Gebündelte Kompetenz im Netzwerk 18
Zentrum für molekulare Wasserforschung 20
Forschungsinfrastrukturen und CMWS-Hubs 22
Einbettung in nationale und europäische Programme 24
Zeitplan und Ausblick 26
Partner und Beitragende zum White Paper 28
und Strategiepapier
Executive Summary
Ohne Wasser gäbe es kein Leben, wie wir es kennen. übergreifend zusammen und vereint komplementäre
Von Ozeanen bis zu den Wassermolekülen in biologischen Kompetenzen und Strukturen aus dem experimentellen
Zellen: Wasser ist Schlüssel zum Überleben und grund- und theoretischen Umfeld: für exzellente Grundlagenfor-
legend für den Erhalt des Lebensraums Erde. Globale Ent- schung, aus der Innovationen für unsere Zukunft
wicklungen wie der Klimawandel, ein steigender Energie- entstehen.
und Trinkwasserbedarf und neue Infektionskrankheiten
stellen die Menschheit dabei vor neue Herausforderungen. Die Idee zur Gründung des CMWS wurde 2018 während
eines internationalen Workshops zur Wasserforschung
Nachhaltige Lösungen in den Bereichen Klima, Umwelt, in Hamburg entwickelt und hat seitdem überwältigenden
Energie und Gesundheit erfordern ein tieferes – mole- Zuspruch erfahren. Mehr als 60 Forschungseinrichtungen
kulares – Verständnis des einzigartigen Stoffs Wasser. und Universitäten in Deutschland, Europa und weltweit
Schon lange macht sich unsere Gesellschaft Wasser für unterstützen das CMWS bereits aktiv. Dies reflektiert das
Schlüsseltechnologien der Energiegewinnung, Materialfor- herausragende Potenzial dieser hoch interdisziplinären
schung und Wirkstoffentwicklung zunutze. Die zugrunde Forschung in einem internationalen Umfeld und bekräftigt
liegenden biologischen, chemischen und physikalischen den Bedarf und großen Mehrwert einer abgestimmten
Prozesse sind jedoch vielfach noch zu wenig verstanden, Zusammenarbeit auf nationaler und europäischer Ebene.
um diese Technologien gezielt weiterzuentwickeln. Seit 2019 werden von CMWS-Partnern gemeinsame
Pilotprojekte im „Early Science Programme“ auf den Weg
Mit den heute entstehenden analytischen Möglichkeiten gebracht. Als Meilenstein für ein koordiniertes wissen-
und Forschungsinfrastrukturen beginnt eine neue Ära der schaftliches Programm wurde im Mai 2021 das White
molekularen Wasserforschung. Großgeräte wie der hoch- Paper des Konsortiums veröffentlicht. Es identifiziert fünf
leistungsfähige Röntgenlaser European XFEL, die brillante Bereiche, die das strategische Fundament der CMWS-
Röntgenlichtquelle PETRA III oder das zukünftige 3D- Forschung bilden.
Röntgenmikroskop der Superlative PETRA IV eröffnen
unvergleichliche Einblicke in die Struktur und Dynamik Die molekulare Wasserforschung stützt sich auf ein
von Wasser: Sie machen sichtbar und nachvollziehbar, breites analytisches Methodenspektrum. Als gesamteuro-
wie sich die komplexen Netzwerke der Wassermoleküle päische Initiative sorgt das CMWS für einen koordinierten
entwickeln, die das Verhalten von Wasser letztlich bestim- Zugang zu relevanten Forschungsinfrastrukturen und
men und ihm seine besondere Funktion verleihen. deren Weiterentwicklung. Der zukünftige Ausbau des Zen-
trums bei DESY in Hamburg, eng verzahnt mit überregio-
Das neue „Centre for Molecular Water Science“ (CMWS) nal entstehenden CMWS-Hubs bei Partnereinrichtungen,
schafft eine weltweit einzigartige internationale Plattform wird das CMWS langfristig als internationalen Leuchtturm
für die molekulare Wasserforschung der Zukunft. Das der molekularen Wasserforschung etablieren.
CMWS-Netzwerk bringt führende Akteure fachbereichs-
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 3
Wasser: Grundlage
für Leben und Technik
Wasser ist für das Leben auf unserer Wasser ist Energielieferant und die Klimaziele und Kern der Nationalen
Erde unverzichtbar. Es beeinflusst Kli- Grundlage für Leben. Maßgebliche Wasserstoffstrategie. Wasser und Ae-
ma, Umwelt, Energie und Gesundheit. biologische und technische Prozesse rosole in der Atmosphäre sind wichtig
Es ist essenziell für technologische finden in wässriger Umgebung statt. für das Klimageschehen der Erde.
Anwendungen und zukünftige Entwick- Jede naturwissenschaftliche Disziplin Die Corona-Pandemie verdeutlicht
lungen – vorausgesetzt, wir verstehen benötigt Modelle, die Wasser ein- die Bedeutung von Wasser für die
und nutzen seine speziellen molekula- beziehen. Infektionsforschung – als Teil von Me-
ren Eigenschaften. dikamenten, Zellen oder Aerosolen.
Neue Erkenntnisse können wasser-
Der Klimawandel, der wachsende bezogene Technologien nachhaltig Zahlreiche Disziplinen, neue Techno-
Energieverbrauch durch digitale verbessern und einen Beitrag zu logien, Materialien und Wirkstoffe
Technologien, neue Krankheiten oder Umwelt-, Energie-, Gesundheits- und profitieren von der Grundlagenfor-
der weltweit steigende Trinkwasser- Klimaschutzzielen leisten. So gehört schung zu Wasser. Erkenntnisse der
bedarf: Entscheidende gesellschaftli- sauberes Trinkwasser zu den prio- molekularen Wasserforschung stoßen
che Herausforderungen erfordern ein risierten UN-Nachhaltigkeitszielen. Innovationen an und unterstützen die
besseres Verständnis des molekula- Grüner Wasserstoff ist eine Schlüs- erfolgreiche Umsetzung der Hightech-
ren Geschehens in Wasser. seltechnologie für das Erreichen der Strategie der Bundesregierung.
Klima Gesundheit
Verbesserte Klimamodelle Wissen und Wirkstoffe gegen Virusinfektionen
Aerosolpartikel, kleinste Schwebeteilchen in der Atmosphäre, Viren wie das Coronavirus können nur mit Wasser überleben.
beeinflussen unser tägliches Wettergeschehen ebenso wie Doch wie genau interagieren die Wassermoleküle mit der
die langfristige Klimaentwicklung. Als Kondensationskeime Virushülle oder spezifischen Eiweißstrukturen während des
setzen sie Wolken- und Niederschlagsbildung in Gang. Infektionsprozesses? Sind diese Mechanismen und Struk-
Gleichzeitig schirmen Aerosole Strahlung in der Atmosphäre turen besser verstanden, kann eine zielgenaue Wirkstoffent-
ab und wirken dabei als Gegenspieler zum Treibhauseffekt. wicklung erfolgen. Auch in Medikamenten hat Wasser eine
Für die Klimaforschung ist es wichtig, diesen „Aerosoleffekt“ wichtige Funktion, etwa als Lösungsmittel für neue medizini-
auf das Klimageschehen genauer zu quantifizieren. Die sche Wirkstoffe auf der Basis von Proteinen oder Peptiden.
molekulare Wasserforschung kann durch Experimente und Diese Biomoleküle sind nicht sehr stabil und werden unwirk-
Simulationen dazu beitragen, Aerosole und ihre Entstehung sam, wenn sie nicht richtig aufbewahrt werden. Geringe
grundlegend besser zu verstehen und so auch die Vorhersa- Zusätze an Salzen könnten das verhindern. Die molekulare
gen von Klimamodellen verbessern. Wasserforschung liefert hier wichtiges Basiswissen.
4
Wasser ist der Schlüssel zu nachhaltigen Lösungen.
Die Grundlagenforschung am CMWS schafft die
entscheidende Wissensbasis.
Impact
Umwelt Energie
Sauberes Trinkwasser Grüner Wasserstoff
Die weltweite nachhaltige Versorgung mit Trink- und Für die Produktion von grünem Wasserstoff wird das Was-
Brauchwasser ist eine der großen Herausforderungen sermolekül mit Hilfe von regenerativen Energien gespalten.
der nächsten Jahrzehnte. Bei der Trinkwasseraufbereitung Die fotokatalytische Wasserspaltung, eine lichtbasierte Re-
müssen beispielsweise Rückstände von Hormonen und aktion, die erst durch einen geeigneten Katalysator möglich
Medikamenten aus dem Wasser entfernt werden. Spezielle wird, könnte heutige Verfahren in Effizienz deutlich über-
molekulare Membrane können diese Problemstoffe wir- bieten. Um geeignete umweltfreundliche Katalysatoren zu
kungsvoll herausfiltern. Die molekulare Wasserforschung identifizieren, analysiert die molekulare Wasserforschung
hat bereits erste Konzepte für solch neuartige Filtermem- die Vorgänge bei der Wasserspaltung auf atomarer Skala.
branen hervorgebracht, die sich die Besonderheiten von Das Ziel ist, die Produktion von grünem Wasserstoff mög-
Wasser auf der Nanoskala zunutze machen und die lichst verlustfrei und nachhaltig zu gestalten – auf dem
Wasseraufbereitung zukünftig revolutionieren können. Weg zu einem klimaneutralen Europa.
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 5
Zukunftsfeld
molekulare
Wasserforschung
Wassermoleküle bilden komplexe Die molekularen Prozesse, die zu den und Simulationen. Gleichzeitig
Netzwerke und verleihen Wasser somit speziellen Eigenschaften von Wasser machen aktuelle Entwicklungen und
seine einzigartigen Eigenschaften. führen, sind jedoch noch weitge- zunehmende globale Herausforde-
Die molekulare Wasserforschung hend unverstanden. Sie erfordern ein rungen wie der Klimawandel oder
untersucht diese Mechanismen – in detailliertes Verständnis des Verhal- pandemische Krankheiten die Suche
reinem Wasser, in wässrigen Lösun- tens einzelner Wassermoleküle: ihrer nach Antworten auf grundlegende
gen, an Grenzflächen zu Stoffen und Molekülstruktur, ihrer fundamentalen Forschungsfragen drängender.
Materialien und um Biomoleküle. Ihre Eigenschaften und ihrer Wechselwir-
Erkenntnisse gehen in zahlreiche kung mit chemischen Reaktionspart- Die molekulare Wasserforschung
wissenschaftliche Disziplinen und nern wie anderen Molekülen, Ionen ist per se interdisziplinär: Ihre An-
wasserbasierte Anwendungen ein. oder Makromolekülen. Diese Fragen wendungsgebiete reichen von der
untersucht die molekulare Wasser- Geologie über die Biologie bis zu
Wasser ist in vielerlei Hinsicht un- forschung unter verschiedensten den Astro- und Klimawissenschaften.
gewöhnlich. Es dehnt sich aus, wenn Umgebungsbedingungen. Dazu kommen unzählige industrielle
man es abkühlt, und unter bestimm- Anwendungen und Technologien.
ten Umständen gefriert es, wenn man Das Forschungsfeld befindet sich Diese setzen Wasser als Stoff,
es erwärmt. Wichtige Anomalien von stark im Aufschwung. Mit heutigen Lösungsmittel oder Medium für
Wasser zeigen sich bereits in alltäg- ultraschnellen und präzisen Mess- Prozesse ein. Die molekularen Eigen-
lichen Beobachtungen. Eis schwimmt techniken und komplexen theoreti- schaften von Wasser sind dabei auch
etwa nur deswegen auf Wasser, weil schen Modellen können Forschende wichtig für die Funktion von Materia-
seine Dichte im festen Zustand ge- das molekulare Geschehen in und um lien, etwa in Nanostrukturen, bei der
ringer ist als die der Flüssigkeit. Wäre Wasser erstmals im Detail analysieren Katalyse oder bei 3D-Druckverfahren.
Wasser nicht speziell, würden Seen und verstehen. Sie untersuchen das Sind solche Zusammenhänge besser
vom Grund aus zur Oberfläche durch- Verhalten der Wassermoleküle mit verstanden, können innovative Tech-
frieren und böten keinen geschützten Hilfe von Experimenten an Großge- nologien entstehen, die effizienter
Raum für Leben. räten, zukunftsweisenden digitalen und nachhaltiger sind als heutige.
Technologien der Datenverarbeitung
6
Flüssiges Wasser bei 170 Grad Celsius
Brillante Röntgenlichtquellen erlauben einzigartige Einblicke in das molekulare
Verhalten von Wasser. Mit dem europäischen Röntgenlaser European XFEL
hat ein Forschungsteam unter Leitung von DESY-Wissenschaftlerinnen und
-Wissenschaftlern kürzlich untersucht, wie sich Wasser unter Extrembedingun-
gen aufheizt. Dabei konnte das Team Wasser beobachten, das selbst bei mehr
Die Röntgenblitze des European XFEL zeigen als 170 Grad Celsius noch flüssig blieb – ein anomales dynamisches Verhalten
mikrosekundenschnelle Veränderungen einer von Wasser unter diesen Bedingungen. Die Ergebnisse haben grundlegende
Probe. Sie erhitzen das Wasser und erzeugen Bedeutung für die Planung und Auswertung von Untersuchungen hitzeemp-
gleichzeitig ein Streubild, aus dem sich der
findlicher Proben per Röntgenlicht. Für die CMWS-Forschung ist dies gerade
Zustand der Probe ablesen lässt (Visualisie-
rung).
im Kontext von biologischen Substanzen wichtig.
Neue Nano-Wassertechnologien
Schränkt man Wassermoleküle sehr stark in ihrer Bewegungsfreiheit ein, zeigen
sie verblüffende Eigenschaften. Fließt Wasser zum Beispiel durch eine feinporige
Membran, so können die Wassermoleküle Nanoporen, die nur wenig größer
sind als die Moleküle selbst, schneller passieren als größere Poren. Neuartige
Filterkonzepte nutzen dieses Phänomen und revolutionieren derzeit Bereiche
Neuartige molekulare Filter nutzen die „Na- von der Blutreinigung und Trinkwassergewinnung aus Meerwasser über die
nofluidität“ von Wasser und revolutionieren Energiespeicherung und Energiegewinnung bis hin zur Aufbereitung von
Bereiche von der Wasseraufbereitung bis Abwässern des Bergbaus. Der „nanofluide“ Effekt hängt mit den besonderen
zur Energiegewinnung.
Eigenschaften des Wassernetzwerks zusammen. Weltweit gibt es große Bestre-
bungen, Nanofluidität zu erforschen und vorhersagbar zu machen. Das CMWS
bringt führende Expertinnen und Experten in diesem Bereich zusammen.
Innovative Biomaterialien für Medikamente
Wie Wasser biologische Funktion und Ordnung beeinflusst, kann nicht nur Auf-
klärung zum Infektionsgeschehen in Zellen bieten, sondern auch bei komplexer
Medikamentengabe unterstützen. In der Zelle bewirkt der hohe Wassergehalt
eine „geordnete Unordnung“: Eiweißmoleküle liegen nicht nur in fest geord-
neter 3D-Struktur einzeln vor, sondern bilden spaghettiartige Verbünde. Ihre
Hydrogele können dabei helfen, Behand- Mischung mit den Wassermolekülen verhält sich dadurch völlig anders als eine
lungsstrategien gegen das Coronavirus normale Lösung, eher zäh wie Zahnpasta. Bildet man diese Strukturen künst-
SARS-CoV-2 zu entwickeln. Bild: Visualisie- lich nach, entstehen Hydrogele. Diese Gemische können bei der Wirkstoffab-
rung eines Coronavirus.
gabe empfindlicher Arzneimittel gegen multiresistente Erreger und gegen Viren
wie das Coronavirus eingesetzt werden. Die Funktion von Hydrogelen detailliert
zu verstehen, gehört zu den wichtigen Forschungszielen des CMWS.
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 7
Strategische
Forschungsbereiche
im CMWS
Science
Fundamentale Klima-, Astro- und Energieforschung Chemische Molekulare Bio-
Eigenschaften Geowissenschaften und Technologie Dynamik in Echtzeit wissenschaften
Mit dem CMWS entsteht ein gesamt- Die Initiative benennt fünf strategi- Das CMWS-Forschungsprogramm
europäisches Forschungsnetzwerk in sche Forschungsbereiche. Diese verzahnt Grundlagenforschung mit
der molekularen Wasserforschung – setzen Schwerpunkte und bündeln den Anwendungsbereichen und ver-
über Fächer, Disziplinen und Methoden Kompetenzen. Die fünf Bereiche bindet experimentelle Kompetenzen
hinweg. bilden gleichzeitig das Fundament mit Expertise in theoretischen Model-
für bereichsübergreifende CMWS- len und Simulationen.
Forschung.
8
Wie lassen sich die zahlreichen Anomalien
von Wasser durch das komplexe Wechselspiel
der Wassermoleküle erklären?
CMWS-Bereich I: Fundamentale Eigenschaften des Wassers
Aufschluss kann das Wechselspiel der Wasser-
moleküle geben. Die vergleichsweise simpel
aufgebauten Moleküle haben eine chemische
Besonderheit: Sie sind außergewöhnlich
bindungsfähig. Während Moleküle in vielen
Flüssigkeiten meist unabhängig von der Rich-
tung miteinander interagieren, können Was-
sermoleküle über Wasserstoffbrücken bis zu
vier gerichtete Bindungen aufbauen. Auf diese
Weise können sie komplexe und dynamisch
veränderliche Netzwerke formen.
Eis schwimmt, weil es eine geringere Dichte hat als
flüssiges Wasser. Diese Dichteanomalie ist nur eine Dadurch zeigt Wasser auch einen außerge-
von vielen Besonderheiten von Wasser. wöhnlichen Formenreichtum. Als Festkörper
tritt es in mindestens zwanzig Formen in Er-
Wäre Wasser eine normale Flüssigkeit, so wür- scheinung: in achtzehn Kristallarten und in zwei
den Eisberge nicht schwimmen, Wasserläufer eher glasartigen Formen von Eis mit hoher und
ertrinken und viele Tiere und Pflanzen im Winter niedriger Dichte. Eine aktuelle Forschungsfrage
erfrieren. Die Besonderheiten von Wasser ist, ob bei sehr niedrigen Temperaturen unter
prägen unser Leben und unsere Umwelt. Neben hohem Druck auch zwei unterschiedliche Flüs-
einer hohen Oberflächenspannung und diversen sigkeitsformen existieren. Denn die Mischung
Dichteanomalien besitzt Wasser unter anderem aus zwei Flüssigkeiten statt einer könnte der
eine hohe Wärmekapazität, wodurch Meere und Grund für das anomale Verhalten von flüssigem
Seen unser Klima stark beeinflussen und Was- Wasser sein. Dieser Temperatur- und Druck-
ser ein hervorragendes und günstiges Kühlmit- bereich ist allerdings noch „Terra incognita“.
tel für verschiedene Anwendungen ist. Warum Ihn zu ergründen ist eines der zentralen Ziele
ausgerechnet Wasser all diese Anomalien zeigt, dieses CMWS-Bereichs.
wird noch immer intensiv erforscht.
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 9Strategische Forschungsbereiche des CMWS
Welche Rolle spielt Wasser für die Entwicklung von Erde,
Umwelt und Atmosphäre? Was verrät seine Chemie
über das Leben im Universum und über ferne Planeten?
CMWS-Bereich II: Wasser in den Klima-, Astro- und Geowissenschaften
Verhalten von molekularem Wasser unter
jeglichen Umgebungsbedingungen wichtig:
von sehr hohen bis hin zu extrem niedrigen
Temperaturen und Drücken.
Im Inneren von Planeten herrschen extrem hohe
Umgebungstemperaturen und -drücke. Beim
Austausch von in Mineralien und Gesteins-
schmelzen gespeichertem Wasser zwischen
den verschiedenen Schichten im Erdmantel
entsteht eine extreme Dynamik. Diese führt zu
Wasser ist im Universum allgegenwärtig: auf der Erde,
Phänomenen wie Plattentektonik, Vulkanismus
in Planeten und Atmosphären, im warmen Gas von
und Erdbeben.
Sternentstehungsregionen bis hin zu Eiskörnchen in
diffusen interstellaren Wolken.
Der Wasserkreislauf zwischen den Ozeanen
Eine Vielzahl planetarer und kosmischer und der Erdatmosphäre prägt unser tägliches
Prozesse sind von Wasser in seinen unter- Wettergeschehen und das Ökosystem Erde.
schiedlichen Facetten geprägt. Wasser steuert Zudem spielt Wasser in Aerosolen in der Atmo-
Naturphänomene und hat die Entwicklung der sphäre eine wichtige Rolle für die langfristige
Chemie des Lebens auf der Erde erst möglich Klimaentwicklung.
gemacht. Auch die zukünftige Entwicklung von
Leben, Erde und Umwelt und unserem Univer- Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt
sum hängt signifikant von Wasser ab. und starke Strahlung charakterisieren die ex-
tremen Bedingungen im Weltall. Dank Wasser
Dieser CMWS-Bereich nimmt geophysikali- konnten sich dennoch komplexe Moleküle
sche, geochemische, klimatische und astro- und eine reichhaltige Chemie entwickeln. Die
chemische Prozesse in den Fokus. Modelle und verschiedenen Reaktionspartner treffen auf der
Experimente stellen Vorgänge in und auf der Oberfläche von Eiskörnchen aufeinander. Ge-
Erde, in der Erdatmosphäre, im Inneren anderer schützt durch einen gefrorenen Wassermantel
Planeten und im Kosmos nach. Dafür ist das profitieren sie vom Wasser als Katalysator.
10Wie lassen sich Technologien nachhaltiger gestalten?
Welche Mechanismen und Materialien bringen grüne
Wasserstofftechnologien voran?
CMWS-Bereich III: Wasser in Energieforschung und Technologie
Wasser ist essenziell für die Energieforschung
und für den nachhaltigen Umgang mit Res-
sourcen, Klima und Umwelt. Grüne Wasser-
stofftechnologien sind ein aktuelles Beispiel.
Ihre molekularen Grundlagen zu erforschen, ist
eines der Kernziele dieses CMWS-Bereichs.
Auch indirekt prägt Wasser unterschiedlichste
Technologien und Anwendungsbereiche. Es
setzt etwa bestimmte chemische Reaktionen in
Gang oder beschleunigt diese, wie im Fall der
Katalyse. Was für die Katalyse ein gewünschter
Effekt ist, schadet umgekehrt bei Korrosions-
prozessen. Hier setzt eintretende Feuchtigkeit
Rostvorgänge in Maschinen, Gebäuden und
Hightech-Materialien in Gang. Die Korrosion
führt zu Verschleiß und Funktionsverlust und
erzeugt enorme wirtschaftliche Verluste.
Messungen an der Röntgenlichtquelle PETRA III (Bild
Die besonderen Eigenschaften der Wasser- oben) und zukünftig PETRA IV erlauben Einblicke auf
moleküle ermöglichen Innovationen in der molekularer Skala, um etwa neue Nanotechnologien
weiterzuentwickeln und auf das Verhalten von Wasser
Nanotechnologie. CMWS-Forschende unter-
zu optimieren (Bild unten: Visualisierung Nanoröhre).
suchen zum Beispiel, wie gut Wassermoleküle
chemische Bindungen zu verschiedenen Ober- Molekulare Filter nutzen aus, dass Wasser, auf
flächenstrukturen eingehen können. Mit diesem kleinstem Raum eingeschlossen, seine physi-
Wissen wollen sie Nanomaterialien entwickeln, kalischen Eigenschaften wie die Fließgeschwin-
die weniger korrosionsanfällig sind. Auch neu- digkeit und auch seine chemische Reaktions-
artige Membrantechnologien entstehen durch fähigkeit verändern kann.
intelligente Nanostrukturierung von Materialien.
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 11Strategische Forschungsbereiche des CMWS
Was genau passiert, wenn Stoffe in Wasser gelöst werden
oder ionisierende Strahlung einwirkt? Wie lassen sich
chemische Reaktionen im Detail nachvollziehen?
CMWS-Bereich IV: Chemische Dynamik in Echtzeit
Die Wassermoleküle lagern sich um den Fremd-
körper herum, richten sich neu aus und passen
sich energetisch optimal an. Diese dynami-
schen Vorgänge sind ultraschnell. Sie finden
auf Zeitskalen von Millionstel eines Milliardstels
einer Sekunde statt. Will man sie Schritt für
Schritt nachvollziehen, müssen Messungen in
kürzester Zeit erfolgen und dabei eine atomare
Ortsauflösung bieten. Solche „Echtzeit-Ein-
blicke“ in die chemischen Abläufe, kombiniert
mit komplexen theoretischen Simulationen,
sind Gegenstand dieses CMWS-Bereichs. Sie
helfen, Reaktionspfade zu verstehen und mög-
licherweise sogar zu beeinflussen.
Ein wichtiges Beispiel sind Strahlungsschäden
durch ionisierende Strahlung wie Röntgen-
strahlung. Die sehr energiereiche Strahlung
Simulationen und ultraschnelle Messtechniken an Freie- führt dazu, dass sich Wassermoleküle (H2O) in
Elektronen-Lasern entschlüsseln chemische Reaktionen biologischen Zellen in freie Radikale (OH) auf-
in Echtzeit. Bild oben: Visualisierung der Entstehung spalten können. Diese Hydroxyl-Radikale sind
eines Hydroxyl-Radikals; Bild unten: European XFEL.
Hauptverursacher von Gewebeschäden. Je
genauer ihr Entstehungsprozess verstanden ist,
desto besser können Strategien entwickelt wer-
Viele, wenn nicht die meisten, wichtigen che- den, auf den Prozess einzuwirken und eventuell
mischen Reaktionen finden im Medium Wasser sogar eine schädliche Wirkung der Strahlung
statt. Bringt man einen Fremdkörper in Wasser zu verhindern – zum Beispiel durch Lichtpulse,
ein, setzt dies unmittelbar auch einen Umord- die Elektronen manipulieren und so kontrolliert
nungsprozess auf molekularer Ebene in Gang. Reaktionspfade modifizieren.
12Wie beeinflusst Wasser Abläufe in Zellen?
Und wie können diese Erkenntnisse bei biomedizinischen
Anwendungen und bei der Wirkstoffentwicklung helfen?
CMWS-Bereich V: Wasser in den molekularen Biowissenschaften
Wasser ist der Stoff des Lebens: Das Wasser-
molekül ist allgegenwärtig in der Biologie und
unentbehrlich für biochemische Reaktionen.
Lebende Zellen bestehen zu 60 bis 70 Prozent
aus Wasser. Die Evolution hat ausgeklügelte
biologische Prozesse in Wasser perfektioniert,
die Leben und Überleben erst möglich machen.
Dieser CMWS-Bereich zielt darauf ab, ein fun-
damentales Verständnis der Rolle von Wasser Wassermoleküle vermitteln die Wechselwirkungen
für die molekularen Prozesse des Lebens zu zwischen Biomolekülen. Ihr Verständnis kann zur
gewinnen und so die Struktur und Dynamik Entwicklung neuer Wirkstoffe beitragen.
biologischer Systeme zu verstehen. Fortschritte
der Forschung werden Bereiche der Lebens- der DNS. Mit Proteinen formen sie Hydrogel-
wissenschaften, Biomedizin und Biotechnologie Strukturen, die etwa vor Kälte schützen. Wie
beflügeln und diese dazu befähigen, drängende aber „entscheiden“ die Wassermoleküle, wel-
gesellschaftliche Herausforderungen wie die che Struktur sie jeweils annehmen sollen, damit
alternde Gesellschaft, neue Infektionskrankhei- Leben funktioniert?
ten, Nachhaltigkeitsfragen und die Klimakrise
zu bewältigen. Erkenntnisse der molekularen Wasserforschung
sind besonders für biomedizinische Anwen-
Die einzigartigen Eigenschaften von Wasser dungen und die Wirkstoffforschung wichtig. Sie
sind eine wesentliche Basis für alle bekannten ermöglichen eine strukturbasierte Wirkstoffent-
biologischen Prozesse. Wassermoleküle be- wicklung und optimierte Wirkstoffablieferung
einflussen das Geschehen in Zellen, steuern und helfen, neurodegenerative Krankheiten
Transportprozesse und verändern die Signal- oder Infektionskrankheiten wie COVID-19 zu
gebung. Wassermoleküle winden sich als bekämpfen.
schützende Wasserhülle um die Doppelhelix
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 13Pilotprojekte im
Early Science Programme
Mit dem von DESY initiierten und ge- Im Rahmen des ESP wurden 2019 Vorbereitung und Durchführung von
förderten Early Science Programme und 2020 insgesamt 19 Projekte aus Experimenten an den Großgeräten
(ESP) unterstützt das CMWS finanziell allen CMWS-Bereichen ausgewählt. in Hamburg. Im Fokus der ESP-För-
und strukturell gemeinsame For- Die Projekte sind von einem engen derung stehen junge Wissenschaft-
schungsvorhaben mit CMWS-Partnern. wissenschaftlichen Austausch ge- lerinnen und Wissenschaftler wie
Die Forschungskooperationen im ESP prägt. Sie beinhalten Forschungsauf- Promovierende, für die gemeinsam
legen den Grundstein für zukünftige enthalte bei DESY und an den Part- finanzierte Projektstellen geschaffen
koordinierte Projekte im Forschungs- nerinstitutionen. Dabei bietet DESY werden.
programm des CMWS. besondere Unterstützung bei der
Spotlight Energie & Technologie
Mit Biomimetik zu grünem Wasserstoff
Die Brennstoffzelle ist ein wesentlicher Baustein der Ener- Perowskit mit idealen energetischen Eigenschaften für
giewende: Wasserstoff dient als Zwischenspeicher für die Wasserspaltung zu entwickeln. Wofür ein Baum in der
Energie und kann vielseitig eingesetzt werden – beispiels- Natur eine Millionen Blätter benötigt, könnte ein Quadrat-
weise für die Elektromobilität. Voraussetzung für grünen zentimeter Perowskit-Oxid genügen.
Wasserstoff ist, dass bereits seine Produktion nachhaltig
gestaltet werden kann. In einem ESP-Projekt entwickeln Dieses ESP-Projekt führt komplementäre wissenschaft-
Forschende bei DESY in Hamburg und an der Universität liche Kompetenzen und Infrastrukturen aus der Röntgen-
Göttingen innovative Reaktionsbeschleuniger, die zu hun- analytik und Kristallzüchtung zusammen. Die Perowskite
dert Prozent auf nachhaltigen Rohstoffen basieren. züchtet das Forscherteam in Speziallaboren in Göttingen
und Berlin. Hochpräzise Röntgenlichtquellen und Elektro-
Vorbild für die neuen Materialien ist die Natur: Oxide kön- nenmikroskope in Hamburg geben Einblicke in die ener-
nen die Eigenschaften eines Pflanzenblatts nachahmen, getischen Merkmale der Materialien auf atomarer Skala
wenn es für die Photosynthese Wasser in Wasserstoff und zeigen deren Effekt auf die Wasserspaltung in Echt-
und Sauerstoff aufspaltet. Während industrielle Kata- zeit. In Göttingen und Berlin wird das Projekt im Rahmen
lysatoren für die Wasserspaltung meist auf Edelmetallen eines DFG-geförderten Sonderforschungsbereichs sowie
oder giftigen Kobaltoxiden basieren, forscht das Projekt- EU-geförderten ERC Starting Grants realisiert.
team an Perowskiten, das sind spezielle Mischungen aus
natürlichen Mineralien. Ziel ist, ein besonders effizientes
14ESP-Partnereinrichtungen 2019/20 Projekttitel
Stockholms universitet (Schweden) Fragile to strong transitions in supercooled aqueous salt solutions
Stockholms universitet (Schweden), Turning water into a glass: Ultrafast X-ray pulses to probe the
European XFEL structure of water during glass and ice formation
Interplay of slow dynamics and X-ray induced dynamics in
Università di Padova (Italien)
amorphous ices: an X-ray photon correlation spectroscopy study
Universität Hamburg Water in confined spaces – biomimetic artificial water channels
Unraveling the formation of economic Cu, Mo and W deposits
Westfälische Wilhelms-Universität Münster,
in the Earth’s crust by hydrothermal supercritical hydrous fluids
Universität Potsdam
using in-situ X-ray Absorption and Fluorescence spectroscopy
Experimental investigation of the stability of Dense Hydrous
Helmholtz-Zentrum Potsdam –
Magnesium Silicate phases and the study of their physical
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
properties across dehydration processes in the Earth mantle
Universität Innsbruck (Österreich) The role of ice in making new molecules
Size-dependence of water-amphiphile interactions and their climate
University of Oulu (Finnland)
relevance
Computation of water properties at high pressure and high
Universität Rostock
temperature
Experimental studies of H2O-CH4 ices in mini-Neptune exoplanets
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
at European XFEL
Behavior of hydrous minerals in the subduction oceanic sediment
Yonsei University (Korea),
and crust and its influence on the water cycle of the Earth’s interior,
Università degli Studi di Milano (Italien)
using powder and single crystal diffraction and a heated DAC
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Fast and ultrafast dynamics of capillary waves at water Interfaces
Spotlight Energie & Technologie: X-ray based studies of perovskite
Georg-August-Universität Göttingen
active states during (photo-)electrochemical water splitting
In situ multidiagnostic characterisation of nano-confined water
KU Leuven (Belgien)
using NMR/DRS and X-ray/DRS methods
Eidgenössische Technische Hochschule ETH, Time-resolved attosecond spectroscopy of electron dynamics
Zürich (Schweiz) in water clusters
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-
Unraveling the first 50 fs of water radiolysis in real-time: From
Gesellschaft FHI Berlin,
ionization to charge-hole separation
Universität Hamburg
Universität Hamburg X-ray absorption of small, mass-selected water cluster cations
Université de Caen Normandie Influence of nanohydration on the radiation induced fragmentation
(Frankreich) and denaturation of proteins and DNA strands
The role of water in different types of hydrogels: how is water
Universität Potsdam
determining functionality?
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 15Strategischer Aufbau und
Weiterentwicklung des CMWS
Vision
Internationales Kompetenz-
zentrum für molekulare
Wasserforschung
16Das CMWS befördert exzellente Wissenschaft über Disziplinen
hinweg. Es schlägt Brücken zwischen Grundlagenforschung
und Anwendungsfeldern und setzt einen europaweiten Wissens-
transfer in Gang.
Interdisziplinäres Forschungsprogramm
Aufbauend auf dem Early Science Programme (ESP) und einem White Paper entsteht am
CMWS ein langfristig angelegtes Wissenschaftsprogramm. Führende Expertinnen und
Experten aus Bereichen wie der Chemie, Physik, Biologie, Medizin oder den Materialwissen-
schaften werden Herausforderungen der molekularen Wasserforschung koordiniert angehen
und dadurch Grundlagen für wissenschaftliche Fortschritte in allen Fachbereichen schaffen.
Netzwerk für Kompetenz & Kooperation
Die CMWS-Initiative wird abgestimmte, gesamteuropäische Strategien in der molekularen
Wasserforschung ermöglichen. Um die gesetzten Ziele mit gebündelten Kräften anzugehen,
identifizieren die CMWS-Partner Synergien sowie gemeinsame Bedarfe, schließen
komplementäre Ressourcen zusammen und setzen Prioritäten für den Ausbau
notwendiger Strukturen, Mittel und Fähigkeiten.
Analytische Forschungsinfrastrukturen
Das CMWS wird den Zugang zu zentralen Großgeräten und Forschungslaboren vereinfa-
chen. Dafür wurde mit dem Aufbau von Kompetenz- und Infrastruktur-Hubs innerhalb des
Netzwerks begonnen. Die Hubs werden auch Akteure aus Theorie und Großgeräteforschung
enger vernetzen. So werden vorhandene Infrastrukturen optimal genutzt und Bedarfe aus
der Forschung gehen rechtzeitig in die Weiterentwicklung der Infrastrukturen ein.
Methodenkompetenz
Ein zentrales Ziel der CMWS-Initiative ist, dass ein möglichst großer Nutzerkreis von der
vereinten Methodenkompetenz und der komplementären Expertise der Partnereinrichtungen
profitiert. Dafür werden im CMWS gemeinsame Forschungsprojekte angestoßen und der
bilaterale Austausch sowie die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses gestärkt –
etwa durch Workshops, Fortbildungen, Lehrveranstaltungen und internationale Konferenzen.
Schnittstelle zu Anwendungsfeldern
Das CMWS baut Brücken zwischen Grundlagenforschung und Anwendungsfeldern. So
können neue Erkenntnisse der Wissenschaft unmittelbar für Zukunftstechnologien verwertet
werden. Umgekehrt geben Herausforderungen der Anwendungsbereiche Impulse für die
Grundlagenforschung. Der weitere Ausbau strategischer Partnerschaften im Netzwerk und
die Verortung des Zentrums bei DESY in Hamburg werden diese Transferprozesse befördern.
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 17Gebündelte Kompetenz
im Netzwerk
Das CMWS baut Kooperationen Aktuell sind mehr als 60 Forschungs- Hamburger und norddeutschen
führender Akteure und Infrastrukturen einrichtungen und Universitäten am Raum. Zum bundesweiten und inter-
im Bereich der molekularen Wasser- CMWS beteiligt, davon über 55 aus nationalen Umfeld der Partner und
forschung zu einem exzellenten und Europa. Ihre Forschenden stammen Unterstützer gehören Akteure aus
agilen europäischen Netzwerk aus. aus Bereichen der Physik, Chemie, der Grundlagenforschung ebenso wie
Es verbindet Schlüsselkompetenzen Biologie, Medizin, Nanotechnologie Forschungszentren an der Schnitt-
und bringt die unterschiedlichen oder den Ingenieurwissenschaften. stelle zu Anwendungen in den Be-
Disziplinen der Grundlagenforschung Sie bringen eigene Forschungs- reichen Klima, Umwelt, Energie und
mit den vielfältigen Herausforderungen schwerpunkte und Expertise in Gesundheit. Das interdisziplinäre
der Anwendungsfelder zusammen. alle fünf strategischen CMWS-For- Netzwerk zieht die besten Köpfe an
Seine von Austausch geprägte Struktur schungsbereiche ein und sind viel- und bietet ein inspirierendes Umfeld
befördert neue Erkenntnisse und fach bereits über Projekte im Early für den wissenschaftlichen Nach-
Innovationen. Science Programme vernetzt. wuchs.
Weitere Einrichtungen haben ihr star- Ein wichtiges Merkmal des CMWS ist
kes Interesse bekundet, als Partner sein enormes Potenzial, wissensba-
aktiv zu den Zielen des CMWS beizu- siert technologische Fortschritte zu
tragen. Neben der direkten Koopera- initiieren. CMWS-Projekte in Partner-
tion in Forschungsvorhaben werden schaft mit technischen Universitäten
auch strategische Partnerschaften knüpfen eng an Anwendungsfelder
beispielsweise als Impulsgeber für und industrielle Entwicklung an und
Innovationen, wirtschaftliche und schaffen ein produktives Innovations-
gesellschaftliche Bedarfe oder für umfeld. Unternehmen der Wirtschaft
fachliche Beratung im Rahmen des mit Interesse an Kooperation und
CMWS angestrebt. Verwertung werden Forschungs- und
Entwicklungspartner.
Einen regionalen Schwerpunkt der
CMWS-Beteiligten bilden Universi-
täten, Forschungseinrichtungen
und Forschungspartner aus dem
18Das CMWS in Zahlen
mehr als über
55
beitragende Forschungsinstitute
und Universitäten in Europa
300
Forschende
seit
5 18 2019
Forschungsbereiche mit beteiligte Länder werden Forschungsprojekte
dem gemeinsamen Ziel, im Partnernetzwerk im Early Science Programme
Wasser auf molekularer des CMWS gefördert
Ebene besser zu verstehen
Eingereichte Letters of Intent
7 Internationale Labore
18 Universitäten
2 Industrie im Ausland
4 Leibniz- und
51
Max-Planck-Institute
7 Helmholtz-Zentren
13 Universitäten
in Deutschland
Stand: Juli 2021
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 19Zentrum für molekulare
Wasserforschung
CHyN HARBOR EMBL CSSB
Center for Hamburg Advanced European Mo- Centre for
Hybrid Nano- Research Centre for lecular Biology Structural Systems
structures Bioorganic Chemistry Laboratory Biology
Das Zentrum der CMWS-Initiative
entsteht bei DESY auf dem Forschungs-
campus Bahrenfeld in Hamburg. Mit
weltweit führenden Großgeräten, inter-
disziplinären Zentren und spezialisier-
ten Campuspartnern bietet der Standort
ein ideales Umfeld, um das CMWS
zu einem internationalen Leuchtturm
für die molekulare Wasserforschung
weiterzuentwickeln.
Centre for Molecular Water Science
Über das vergangene Jahrzehnt hat
die molekulare Wasserforschung
starke Impulse erfahren, die in der
CMWS-Initiative mündeten. Seit 2018
treiben leitende Wissenschaftlerinnen
und Wissenschaftler bei DESY und
den Partnereinrichtungen die Planun-
gen intensiv voran.
Auf dem Forschungscampus Bahren-
feld sind heute bereits zwölf For-
schungsgruppen am CMWS beteiligt,
die zu allen fünf Forschungsbereichen
beitragen. Anfang 2020 wurden au-
ßerdem ein koordinierendes CMWS-
Büro und ein Vorbereitungs- und
Analyselabor eingerichtet, das allen
CMWS-Partnern zur Verfügung steht. Interdisziplinärer Campus
Ein Forschungsneubau soll zukünftig Ein einzigartiges Ökosystem aus internationalen Campuspart-
CMWS-Forschungsgruppen und nern, interdisziplinären Zentren und mit direkter Anbindung an
europäische Kooperationspartner be- die Hamburger Universitäten fördert den vitalen wissenschaft-
herbergen sowie weitere spezifische lichen Austausch zwischen unterschiedlichen Bereichen und
Laborinfrastruktur bereitstellen. Anwendungsfeldern der molekularen Wasserforschung.
20CMWS MPSD CFEL CXNS PETRA III/IV FLASH European XFEL Start-up Labs
Centre for Max-Planck- Center for Centre for Positron-Elek- Freie-Elek- European X-Ray Bahrenfeld
Molecular Institut für Free-Electron X-ray and tron-Tandem- tronen-Laser Free-Electron
Water Science Struktur und Laser Science Nano Science Ring-Anlage in Hamburg Laser
Dynamik
der Materie
Innovation & Transfer Weltweit führende Röntgenlichtquellen
Das Innovationspotenzial der molekularen Wasserfor- Ein Merkmal der molekularen Wasserforschung
schung ist gigantisch. Auf dem DESY-Campus unterstüt- ist ihr sehr vielfältiges Methodenspektrum. Mit den Rönt-
zen die Start-up Labs und zukünftig die DESY Innovation genlichtquellen PETRA III/IV, European XFEL und FLASH
Factory den Ideen-, Wissens- und Technologietransfer bietet der Standort Hamburg Schlüsseltechnologien für
im Herzen der Science City Hamburg Bahrenfeld. die molekulare Wasserforschung.
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 21Forschungsinfrastrukturen
und CMWS-Hubs
Die Infrastruktur des CMWS wird Eine Schlüsseltechnologie ist die Infrastruktur-Hubs bei europäischen
durch dezentrale Hubs innerhalb des Röntgenanalytik. Heutige und zu- Partnern werden ergänzend Techno-
CMWS-Netzwerks komplementiert. Mit künftige große Röntgenlichtquel- logien der weichen Röntgenstrahlung,
den Hubs stellen Partnereinrichtungen len ermöglichen hochpräzise und der Kernspinresonanzspek-troskopie
besondere Expertise bereit, vermitteln ultraschnelle Momentaufnahmen (NMR) und verschiedene Methoden
Zugang zu Forschungsinfrastrukturen der mikroskopischen Strukturen der optischen Spektroskopie ab-
und unterstützen bei Forschungsvor- der Wassermoleküle. Sie eröffnen decken. Neben Großgeräten und
haben. Auf diese Weise können alle Einblicke in die Molekülnetzwerke, Laboren nutzen die CMWS-Partner
CMWS-Partner das große Methoden- noch während sich diese dynamisch neue Datentechnologien und entwi-
spektrum der molekularen Wasserfor- entwickeln. ckeln theoretische Ansätze, Modelle
schung optimal ausschöpfen. und Simulationen von Wasser.
Zwei weltweit führende Großgeräte Kompetenz-Hubs sollen auch diese
Die molekulare Wasserforschung der Röntgenanalytik, PETRA III – zu- wichtige Expertise zukünftig gezielt
setzt eine Vielzahl komplementärer künftig PETRA IV – und European bündeln.
Methoden in Experimenten und XFEL, befinden sich in direkter Nähe
theoretischen Modellen ein. Jeder zum CMWS in Hamburg. Sie bilden Die CMWS-Hubs entstehen aus dem
dieser Ansätze trägt ein wichtiges CMWS-Hubs für die Forschung an Netzwerk heraus, bei Partnern in
Puzzleteil bei. Im Zusammenspiel Synchrotron-Anlagen und Freie-Elek- Deutschland und Europa. Sie tragen
erschließen sie einen umfassenden tronen-Lasern (FEL). Ein weiterer aktiv zur Weiterentwicklung des
Zugang zu den vielfältigen Facetten Hamburger Hub nimmt die Proben- CMWS-Netzwerks bei.
von Wasser. charakterisierung in den Fokus.
„The international CMWS network
provides innovative impulses for
the development of the European
Research Area. High-resolution
analytics with state-of-the-art light
sources, such as PETRA IV, are
crucial for success.“
Dr. Caterina Biscari
Director of the ALBA synchrotron in Barcelona
and Chair of the League of European
Accelerator-based Photon Sources (LEAPS)
22Kompetenz- und Infrastruktur-Hubs bei
CMWS-Partnern unterstützen das Netzwerk beim
Einsatz eines breiten Methodenspektrums.
Hard X-ray
Facilities
PETRA III/IV
FEL Soft X-ray
Facilities Facilities
European XFEL, SOLEIL, ELETTRA,
FLASH BESSY II/III
Hubs
Sample NMR
Preparation and Facilities
Characterization KU Leuven
Simulation Complementary
and Theory Spectroscopies
„Mit dem European XFEL können wir besonders „KU Leuven, via its high field nuclear magnetic
gut ultraschnelle Messungen durchführen. resonance (NMR) facility, commits to support CMWS
Damit gelingt es, die Dynamik physikalischer activities by offering access to its infrastructure and
und chemischer Prozesse von Wassermolekülen know-how, making its facility a cornerstone of funda-
zu untersuchen und zu verstehen.“ mental water research within CMWS.“
Prof. Robert Feidenhans’l Prof. Reine Meylaerts
Vorsitzender der Geschäftsführung Vice rector of research policy KU Leuven
der European XFEL GmbH
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 23Einbettung in nationale und
europäische Programme
Grundlagenforschung ist Zukunfts- Zugleich ist Wasser weit mehr als Beiträge zur nachhaltigen Lösung
vorsorge – die Forschung zu Wasser eine Ressource. Erkenntnisse der großer und drängender Fragen von
im Besonderen. Sie ist wesentlicher Wasserforschung sind notwendig, Gesellschaft, Wissenschaft und
Bestandteil nationaler, europäischer um die Mechanismen des Lebens Wirtschaft zu liefern. Gemeinsam
und globaler Strategien. Die Mission zu begreifen und zu verstehen, mit den besten Partnern gestaltet
des CMWS ist von entscheidender Be- wie unsere Erde und Umwelt sich das CMWS ein richtungsweisendes
deutung für deren Erfolg. Sie integriert weiterentwickeln werden. Sie helfen, Forschungsfeld der Zukunft. Dazu
exzellente Grundlagenforschung und innovative Materialien und Wirk- gehören die enge Verbindung zum
Großgeräteforschung und schafft das stoffe zu entwickeln, und bringen Helmholtz-Kompetenzatlas Wasser-
Fundament für nachhaltige Ent- technologischen und medizinischen stoffforschung und zum zukünftigen
wicklungen aus dem europäischen Fortschritt. Grundlagenforschung 3D-Röntgenmikroskop PETRA IV.
Forschungsraum. zu molekularem Wasser an weltweit
führenden Forschungsinfrastrukturen Das CMWS befördert innovative
Wasser ist ein Paradebeispiel für findet auch innerhalb des BMBF- Vorhaben der molekularen Wasser-
die Relevanz ressourcenschonen- Rahmenprogramms „Erforschung forschung, indem es Akteure aus
der Technologien. Lebenswichtige von Universum und Materie – ErUM“ Wissenschaft und Wirtschaft über
Bereiche wie die Energieversorgung, statt. Fächer- und Branchengrenzen
die Nahrungsmittelproduktion und hinweg verknüpft und Ergebnisse
essenzielle wasserbasierte Technolo- Der Erfolg exzellenter Wissenschaft unmittelbar verwertbar werden.
gien konkurrieren um die Ressource lebt von der Förderung des wissen- Dazu zählt auch die Zusammenarbeit
Wasser. Das globale Bevölkerungs- schaftlichen Nachwuchses und mit größeren strategischen Verbün-
wachstum und der Klimawandel wer- der Vernetzung der besten Köpfe. den, wie etwa die komplementäre
den dieses Spannungsfeld zukünftig CMWS-Forschungsaktivitäten sind MaxWater-Initiative der Max-Planck-
noch verschärfen. Neue Erkenntnisse an den beteiligten deutschen Hoch- Gesellschaft.
der molekularen Wasserforschung schulen an diverse DFG-geförderte
sind die Grundvoraussetzung, in- Schwerpunktprogramme angebun- Als gesamteuropäisches Netzwerk
novative und nachhaltige Lösungen den – insbesondere in den Berei- mit internationalen Partnern ist das
aufzuzeigen. In Deutschland geht das chen Physik und Chemie sowie den CMWS optimaler Partner für die Mis-
Bundesministerium für Bildung und Lebenswissenschaften. sion des Horizon Europe Programms.
Forschung (BMBF) etwa mit dem Seine Forschungsziele sind von
FONA-Programm Zukunftstechno- Das CMWS ist eng mit der Mission herausragender Bedeutung für den
logien in den Bereichen Grüner Was- der Helmholtz-Gemeinschaft ver- European Green Deal.
serstoff, Kreislaufwirtschaft, Klima- zahnt, durch strategisch-programma-
schutz und Bioökonomie gezielt an. tisch ausgerichtete Spitzenforschung
24„Wasser ist die zentrale Ressource
für unsere Welt. Diese Ressource auch
„Die Erforschung von Wasser kann helfen, molekular besser zu verstehen, ist ein
Antworten auf zahlreiche gesellschaftliche Heraus- Schlüssel für eine nachhaltige Zukunft.“
forderungen zu finden. Eingebettet in die Science Volker Rieke
Abteilungsleiter im Bundesministerium
City Hamburg-Bahrenfeld befördert das CMWS für Bildung und Forschung (BMBF)
herausragende Forschung mit internationaler
Strahlkraft.“
Katharina Fegebank „Das CMWS leistet einen eindrucksvollen Beitrag
Zweite Bürgermeisterin und Senatorin für
Wissenschaft, Forschung, Gleichstellung und Bezirke
zur Helmholtz-Mission: große Herausforderungen
der Freien und Hansestadt Hamburg angehen und entscheidende Beiträge für die
Sicherung unserer Zukunft liefern.“
Prof. Otmar Wiestler
„A better understanding of biological processes Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft
requires the understanding of water at the
molecular level. Health research can benefit
tremendously from the CMWS, for example „Von der CMWS-Forschung versprechen
in the search for new pharmaceuticals.“ wir uns signifikante Fortschritte und Beiträge
Prof. Edith Heard für das Grundlagenwissen, welche dann bei
Director General of the European Molecular Biology
Laboratory (EMBL)
der Weiterentwicklung innovativer Produkt-
technologien helfen.“
Dr. Frank Fischer
Lab Manager, Deep Innovation Scouting
„Im CMWS bündeln führende europäische
Beiersdorf AG
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler
ihre Kräfte, um ein detailliertes molekulares
Verständnis von Wasser zu erreichen. Dies ist
von höchster Relevanz für Biologie, Erde und
Umwelt sowie viele Zukunftstechnologien.“
Prof. Helmut Dosch
Vorsitzender des DESY-Direktoriums
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 25Zeitplan und Ausblick
Mit dem CMWS entsteht ein neues Juwel im europäischen
Forschungsraum. Das Netzwerk wird in den kommenden Jahren
gezielt weiter ausgebaut.
2018 2019
Wissenschaftliches
Programm
Early Science
Programme (ESP)
Phase 1
Infrastruktur, Netzwerk
und Organisation Kickoff
1. und 2. CMWS-Workshop: Letters Eröffnung
Trends in Water Science of Intent Geschäfts-
stelle
D/EU Strategie
und Förderung
Start Anschub-
finanzierung DESY
und Partner
Das CMWS hat ein einzigartiges Poten- Maßgeblich für die weitere Entwick- Declaration 2022 markiert den nächs-
zial für die molekulare Wasserforschung: lung des CMWS sind ein starkes, ten Schritt hin zu einer langfristigen
von herausragender Grundlagen- koordiniertes Forschungsprogramm, Aufstellung des interdisziplinären und
forschung bis hin zu hoch relevanten eine Infrastruktur komplementärer internationalen Konsortiums. Gleich-
Anwendungsfeldern. Der Fokus der Kompetenzen sowie eine nach- zeitig wird der europäische Strategie-
kommenden Jahre liegt darauf, die haltige Förderung. Das im Mai 2021 prozess weiter vorangetrieben.
notwendigen Strukturen weiter zu veröffentlichte White Paper legt den
etablieren, um dieses Potenzial voll Grundstein für übergreifend vernetzte
auszuschöpfen. Forschung. Die geplante CMWS
262020 2021 2022 2023
Early Science Programme Start der CMWS CMWS Koordiniertes For-
(ESP) Phase 2 Seminar-Serie Water Days schungsprogramm
3. CMWS-Workshop: White Paper Wissenschaftliches
DESY Water Week Symposium und
CMWS Water Days Begutachtung
Aufbau Partner- Aufbau CMWS Ausbau Zentrum
netzwerk & Hubs CMWS Labs Declaration in Hamburg und
Erste gemeinsame Start des Hub-Netzwerk
Berufung NMR-Hubs
an der KU
Leuven
Runder Tisch CMWS- Runder Tisch Europäischer
Partner und Interessierte Nationale Förder- Kickoff
einrichtungen
CMWS Englisches
Strategiepapier Strategiepapier
Ereignis Prozessbeginn Netzwerkausbau CMWS Europe
CMWS | Centre for Molecular Water Science – Strategiepapier 27Partner und Beitragende zum
White Paper und Strategiepapier
National International
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Helmholtz-Zentrum für Umwelt- Danmarks Tekniske Universitet,
forschung – UFZ, Leipzig Lyngby (Dänemark)
Friedrich-Alexander-Universität
Erlangen-Nürnberg Helmholtz-Zentrum Hereon École Normale Supérieure de Lyon;
CNRS, Paris; Institut Pierre-Gilles de
Georg-August-Universität Göttingen Helmholtz Zentrum München –
Gennes, Paris (Frankreich)
Deutsches Forschungszentrum für
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Gesundheit und Umwelt Eidgenössische Technische
Ruhr-Universität Bochum Hochschule ETH, Zürich (Schweiz)
Helmholtz-Zentrum Potsdam –
Technische Universität Bergakademie Deutsches GeoForschungsZentrum Elettra Sincrotrone Trieste (Italien)
Freiberg GFZ
European Molecular Biology
Technische Universität Darmstadt Karlsruher Institut für Technologie Laboratory, Hamburg (Deutschland)
Technische Universität Dortmund Leibniz-Institut für Oberflächen- European X-Ray Free-Electron Laser
Technische Universität Hamburg modifizierung, Leipzig Facility, Schenefeld (Deutschland)
Universität Hamburg Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik Institut Català de Nanociència i
und Kurzzeitspektroskopie, Berlin Nanotecnologia, Barcelona (Spanien)
Universität Kassel
Max-Planck-Institut für Polymerfor- KU Leuven (Belgien)
Universität Paderborn schung, Mainz
Københavns Universitet (Dänemark)
Universität Potsdam Max-Planck-Institut für Struktur und
Kyoto University (Japan)
Universität Rostock Dynamik der Materie, Hamburg
Lunds universitet (Schweden)
Westfälische Wilhelms-Universität
Münster Russian Academy of Sciences,
Beiersdorf AG, Hamburg
Moskau (Russland)
Tesa SE, Norderstedt Skolkovo Institute of Science and
Deutsches Elektronen-Synchrotron Technology, Moskau (Russland)
DESY, Hamburg
Southern Federal University, Rostow
Forschungszentrum Jülich am Don (Russland)
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck- Stockholms universitet (Schweden)
Gesellschaft, Berlin
Synchrotron SOLEIL, Saint-Aubin
Helmholtz-Institut Jena, GSI (Frankreich)
Helmholtzzentrum für Schwerionen-
forschung, Darmstadt Technion – Israel Institute of
Technology, Haifa (Israel)
Helmholtz-Zentrum Berlin für
Materialien und Energie Università degli Studi di Milano (Italien)
Helmholtz-Zentrum Dresden- Università degli Studi di Trento (Italien)
Rossendorf Università di Padova (Italien)
Università Roma Tre (Italien)
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