FORSCHUNG UND INNOVATION STÄRKEN - Helmholtz Photon Science Roadmap - Nationale Strategie zur Weiterentwicklung beschleunigerbasierter ...
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Helmholtz Photon Science Roadmap
FORSCHUNG UND
INNOVATION STÄRKEN
Helmholtz Photon Science Roadmap – Nationale Strategie
zur Weiterentwicklung beschleunigerbasierter Lichtquellen
Helmholtz Photon Science Roadmap
INHALTSVERZEICHNIS
ÜBERBLICK.................................................................................. 3
FORTSCHRITT GEMEINSAM GESTALTEN....................................... 4
SPITZENFORSCHUNG ERMÖGLICHEN......................................... 5
NEUE MATERIALIEN ENTWICKELN................................................ 6
WISSEN ANWENDEN.................................................................... 7
PARTNER DER GESUNDHEITSFORSCHUNG.................................. 8
COMPUTER NEU DENKEN............................................................ 9
KLIMANEUTRALITÄT BESCHLEUNIGEN........................................10
ERDE UND UMWELT SCHÜTZEN.................................................11
KULTURELLES ERBE NEU BELEUCHTEN .....................................12
WELTWEIT VERNETZEN...............................................................13 In einer beschleunigerbasierten Lichtquelle sind Magnete zentrale
Elemente. Dieser Undulator erzeugt die hoch intensiven Lichtstrahlen,
RESILIENZ STÄRKEN...................................................................14
die dann in eine Messstation geleitet werden. (© HZB / S. Steinbach)
DIE ZUKÜNFTIGEN LICHTQUELLEN IN DEUTSCHLAND................15
2
Helmholtz Photon Science Roadmap · Überblick ÜBERBLICK
Die Helmholtz-Gemeinschaft entwickelt, baut und betreibt einzigartige Forschungsanlagen (v.l.n.r.): BESSY II in Berlin, PETRA III in Hamburg und ELBE in Dresden.
(© Fotos v.l.n.r.: HZB / D. Laubner, DESY / D. Altrath, HZDR / F. Bierstedt)
Die Lichtquellen der Helmholtz-Gemeinschaft sind wahre Multitalente: Sie enthüllen WAS IST EINE BESCHLEUNIGERBASIERTE
das Innenleben des Coronavirus und spüren Kandidaten für neue Medikamente auf. Sie LICHTQUELLE (PHOTONENQUELLE)?
analysieren Katalysatoren, die mit Sonnenlicht Wasserstoff erzeugen und so Wegbereiter
für eine klimaneutrale Wirtschaft sein können. Sie liefern Erkenntnisse über völlig neuartige • M
it beschleunigten Elektronen werden höchst
intensive Lichtpulse erzeugt: vom Infraroten
Materialien, die für ein rasches Voranschreiten der Digitalisierung essenziell sind. Diese
bis jenseits des Röntgenbereiches. Mit diesem
Lichtquellen sichern in vielen weiteren Bereichen Innovationsvorsprung für Deutschland. Licht (Synchrotronlicht) können nahezu alle
Materialien und Proben untersucht werden. SPEICHERRING-
Spitzenforschung ermöglichen, Innovationskraft stärken: Diese Visionen des Forschungs- LICHTQUELLE
• Z u Photonenquellen zählen Speicherringe und
bereichs Materie der Helmholtz-Gemeinschaft bilden den Anreiz, eine gemeinsame Strate- Freie-Elektronen-Laser (FEL). Sie unterscheiden
gie zur Weiterentwicklung beschleunigerbasierter Lichtquellen in Deutschland aufzustellen. sich in Zweck und Aufbau: Speicherringe sind
ringförmig und erzeugen kurze Lichtpulse mit
Mit Umsetzung dieser Strategie wird eine Vielzahl völlig neuer wissenschaftlicher hoher Gesamtintensität; FEL sind linear und
Untersuchungen möglich. Die Erkenntnisse bilden die Basis für disruptive Produkte erzeugen ultra-kurze, extrem intensive Laserblitze.
und Verfahren und stimulieren den Forschungs- und Wirtschaftsstandort Deutschland. FEL
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Helmholtz Photon Science Roadmap
FORTSCHRITT GEMEINSAM GESTALTEN
Exzellente Forschung setzt gleichermaßen hervorragende For- Prof. Jan-Dierk Grunwaldt
schungsinfrastrukturen wie auch die besten Köpfe in der Wissen- Vorsitzender Nutzer-Komitee Forschung
schaft voraus. Die Nutzerinnen und Nutzer der beschleunigerba- mit Synchrotronstrahlung (KFS), KIT
sierten Lichtquellen der Helmholtz-Gemeinschaft verfügen über die „Die neuen Photonenquellen sollen
entsprechende Expertise und das erforderliche Know-how. auch in Zukunft die erforderliche und
bedarfsgerechte Infrastruktur für uns
Einerseits sind sie dank langjähriger Erfahrung in der Lage, die An- Nutzende bieten und die Zusammenar-
lagen optimal für ihre Forschung zu nutzen. Andererseits erspüren beit von Hochschulen und Forschungsein-
sie unmittelbar die Grenzen der Anlagen für künftige Projekte und richtungen fördern. Solche Quellen mit höchster
fordern deren Weiterentwicklung ein. Mit ihrer Strategie schafft die Brillanz werden auch benötigt, um für gesellschaftliche
Helmholtz-Gemeinschaft die Voraussetzung, die wissenschaftlichen Herausforderungen maßgeschneiderte Lösungen zu finden.“
Fragen der Zukunft zu lösen und so auch künftig den Innovations-
vorsprung für Deutschland zu sichern. Eng einher damit gehen Aus-
bildung und Einbindung des wissenschaftlichen Nachwuchses.
Komplementäre Quellen für unterschiedlichste Forschungsdisziplinen
Die Anlagen ergänzen sich komplementär und decken die gesamte
Breite des benötigten Lichtspektrums ab (siehe Grafik). Die Betei- FLASH THz FLASH
ligung der Helmholtz-Gemeinschaft am European XFEL rundet das European
Portfolio ab. XFEL
DALI DALI
Die Strategie orientiert sich an den Erfordernissen der
Wissenschaft. Das Zusammenspiel aller geplanten Anlagen wird BESSY III
den gesamten von der Wissenschaft benötigten Lichtenergie- PETRA IV
bereich abdecken und garantiert damit, allen Forschungsfragen
gewachsen und international wettbewerbsfähig zu sein. 10 –4 10 –3 10 –2 0,1 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6
PHOTONENENERGIE / eV
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Helmholtz Photon Science Roadmap
SPITZENFORSCHUNG ERMÖGLICHEN
Gesundheit, Klimawandel, Energieversor- greifende Nachfrage zu decken. Durch ihre
gung und Digitalisierung zählen zu den größ- komplementären Experimentiertechniken
ten Herausforderungen unserer Zeit. Schon bilden sie die unverzichtbaren Werkzeuge
heute die Fragen der Zukunft im Blick haben: der Forschung.
Für diese Mission steht die Helmholtz-Ge-
meinschaft. Sie entwickelt mit ihren exzellen- Tausende Forschende aus allen Bereichen
ten Forschungsinfrastrukturen wegweisende der Wissenschaft und der Industrie nutzen Dank des speziellen Lichts in den Photonenquellen können neuartige
Lösungen für morgen. Mit ihnen entstehen regelmäßig die bereits bestehenden Anla- Materialien erforscht werden, wie hier die MXene, die der Energie-
neue Technologien und Materialien sowie gen, die in der Vergangenheit mit Weitsicht speicherung dienen. (© HZB / S. Steinbach)
eine vertiefte Kenntnis grundlegender Pro- für die heutige Forschung entwickelt wurden.
zesse. Ihre Anlagen sichern den Fortschritt So konnte mit großem Erfolg unter anderem
in allen Lebensbereichen. die Forschung von Biontech zu den mRNA-
Impfstoffen vorangebracht werden. Mit den Photonenquellen der neu-
Für die Entwicklung völlig neuer Materialien esten Generation wird sichergestellt,
und Technologien brauchen wir zwingend Erfolgreiche Forschung gelingt nur in inter- dass auch in Zukunft einzigartige Expe-
disziplinär aufgestellten Kooperationen.
beschleunigerbasierte Lichtquellen. Sie die- rimentiermöglichkeiten zur Verfügung
nen als Supermikroskope und erlauben ei- Nationale und internationale Universitäten, stehen. Durch Weiterentwicklung der
nen Blick in die Welt der Atome und deren außeruniversitäre Forschungsorganisatio- bestehenden Anlagen wird Deutschland
ultraschnelle Prozesse. Dank der weltweit nen wie Max-Planck- und Fraunhofer-Gesell- im globalen Wettbewerb mit Einrich-
führenden Analysemöglichkeiten erlangen schaft oder Leibniz-Gemeinschaft, arbeiten tungen in den Vereinigten Staaten und
Forschende wichtige Erkenntnisse, über den eng zusammen mit Partnern aus unter- Asien weiterhin eine Spitzenstellung
Aufbau von Coronaviren, die atomare Struk- schiedlichsten Industriebereichen. An den einnehmen.
tur von Solarzellen oder Elektronen- und Helmholtz-Forschungsinfrastrukturen ist
Ionenbewegungen in Batterien. dies Alltag. So werden wissenschaftliche
Erkenntnisse schneller veröffentlicht sowie
Die geplanten und vorhandenen Lichtquellen der rasche Transfer von Wissen und Techno-
ergänzen sich optimal, um die fächerüber- logie in die Wirtschaft gewährleistet.
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Helmholtz Photon Science Roadmap
NEUE MATERIALIEN ENTWICKELN
Die Materialforschung ist eine Schlüsseldis- Struktur und Dynamik auf der Nanometer-
ziplin für alle Bereiche unseres Lebens, so skala abzubilden. Am besten live, unter den
auch für eine klimafreundliche und biodiver- für die Anwendung relevanten Betriebsbe-
se Zukunft. Sie liefert Materialien mit voll- dingungen.
kommen neuen Eigenschaften, zum Beispiel
für höchsteffiziente Solarzellen oder elek- Mit der kommenden Lichtquellen-
trisch leitfähige Kunststoffe. Solche High- Generation können wir den nächsten
tech-Materialien werden bis in die kleinsten Schritt gehen: in noch kleinere Dimen-
Abmessungen individuell gestaltet. Tief in sionen vordringen und Materialien live
die Materialien hineinsehen und verstehen, unter Prozessbedingungen beobachten. An dieser Messstation untersuchen Forschende, wie man den Spin
wie diese im Detail aufgebaut sind, und wie Erst dadurch können neue Materialien von Elektronen kontrollieren und schalten kann. Damit werden
sie sich auf der Ebene von Atomen und Mo- entwickelt werden, die grundlegend wichtige Erkenntnisse gewonnen, um neuartige Materialien für
lekülen verhalten: Dafür werden analytische sind für Sprunginnovationen. energieeffiziente Computer zu schaffen. (© HZB / M. Setzpfandt)
Werkzeuge benötigt, die in der Lage sind,
Prof. Stuart Parkin Prof. Metin Tolan
Managing Director, Max Planck Institute Präsident der Universität Göttingen
of Microstructure Physics
„Der Zugang zu State-of-the-Art
„Mit BESSY III, DALI und PETRA IV Photonenquellen ist essenziell für
werden herausragende Forschungs- die universitäre Forschungsland-
möglichkeiten geschaffen, um Struktur schaft in Deutschland. Mit ihrer Road-
und Funktion von Materie zu erforschen. map stellt die Helmholtz-Gemeinschaft
Für die Entdeckung und Erforschung von sicher, dass Deutschland auch in Zukunft
Quantentechnologien der Zukunft kommt den auf dem Gebiet der Röntgenphysik konkur-
Großgeräten herausragende Bedeutung zu.“ renzfähig aufgestellt ist.“
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Helmholtz Photon Science Roadmap
WISSEN ANWENDEN
Der stetige Austausch mit der Industrie in allen Phasen der For-
schung und Wissensproduktion gilt als unverzichtbar. Durch Koope-
rationen profitieren Unternehmen sowohl von Technologien als auch
von wissenschaftlichen Ergebnissen, die unmittelbar in Verfahren
oder Produkte münden. Zwei Beispiele:
•D
ie Carl Zeiss AG und ihre Partner setzten Synchrotronlicht
ein, um eine revolutionäre neue Fertigungstechnik für
leistungsfähigere Mikrochips zu entwickeln. Diese Erfindung
wurde mit dem deutschen Zukunftspreis 2020 ausge-
zeichnet. Abstimmung und Austausch, um wissenschaftliche Ergebnisse in Verfahren und Produkte
zu transferieren. (© HZDR / AVANGA)
•H
ochfeste Stähle für den Leichtbau im Transportwesen
sparen Energie und damit CO2: Mit brillantem Röntgenlicht
wurde ein besseres Verständnis des Materialverhaltens
bei Schneidprozessen dieser Stähle erreicht. Optimiert Prof. Edith Heard
finden diese beispielsweise schneller den Weg in den Fahr- Director General of the European
zeugbau. Molecular Biology Laboratory (EMBL)
„Understanding biology from the
Geplante automatisierte Hochdurchsatz-Messplätze molecular level to entire organisms
sind auf die Bedürfnisse der industriellen Forschung und requires multiple tools for hierarchical
Entwicklung zugeschnitten. Prototypen-Entwicklung oder and correlative imaging, over a vast
standardisierte Probenläufe werden damit erleichtert. range of length scales. The proposed
new sources of the Helmholtz Roadmap will
provide a new era of such tools for the life sciences.“
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Helmholtz Photon Science Roadmap
PARTNER DER GESUNDHEITSFORSCHUNG
Ob Infektion oder Entzündung: Häufig sind • Röntgenkristallographische dreidimen-
es Moleküle, die über Krankheit oder Ge- sionale Methoden klären die atomaren
sundheit des Menschen entscheiden. Auch Strukturen und Funktionen biologi-
dank der Lichtquellen wurden molekulare scher Makromoleküle auf.
Grundlagen enträtselt und Wirkstoffe entwi-
ckelt, die punktgenau dort ansetzen, wo ein • Mit höchstaufgelöster Röntgenbild-
Krankheitserreger angreift. gebung entstehen dreidimensionale
Abbildungen von Zellgewebe bis hin
Ein noch besseres Verständnis der Vorgänge zu größeren Organen mit extremer
brächte zum Beispiel ein Abbild von ein und Detailtiefe. Dank der neuen Analysemöglichkeiten wurden Wirkstoff-Kandidaten
derselben Probe, von der atomaren, moleku- gegen SARS-CoV-2 entdeckt. (© DESY / C. Schmid)
laren und zellulären Ebene bis hin zum Ge- • Mit Terahertz-Licht kann der Einfluss
webe. Dafür werden komplementäre bildge- der wässrigen Hülle von Biomolekülen
bende Methoden entwickelt: auf die Funktionsweise der Zellmem- Die neuen Lichtquellen erlauben bei gleicher
bran untersucht werden. Experimentierzeit eine circa zehnmal bes-
sere dreidimensionale Auflösung oder bei
gleicher Auflösung eine circa tausendfach
schnellere Messung. Dank dieser Präzision
Prof. Ada Yonath wird die Erforschung von bisher nicht abbild-
Nobel Prize Laureate, Weizmann Institute baren, dynamischen Prozessen in Zellen und
„Structural biology of large complexes at very Geweben möglich.
high resolution is unthinkable without high brilliance
focused next generation photon sources. It is expected Durch die verkürzte Experimentier-
that the achievable resolution for biological imaging zeit – verbunden mit einer weitergehen-
at the next generation of photon sources, associated den Automatisierung von Messung und
with cryo-electron microscopy, will bridge between the Auswertung – wird die systematische
molecular and the cellular levels.“ Suche nach Wirkstoffen enorm verbessert.
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Helmholtz Photon Science Roadmap
COMPUTER NEU DENKEN
Sie werden immer kleiner, leichter und dün- Nur mit den neuen Lichtquellen wird
ner. Die zunehmende Miniaturisierung in der die Forschung in den Feldern Mikro-
Informationstechnologie erfordert einerseits elektronik, Nanotechnologie und Supra-
neue Halbleiterbauteile, verlangt anderer- leitung ihr Potenzial ausschöpfen, denn
seits ein profundes Prozessverständnis, da- die Lichtquellen ermöglichen ein detail-
mit fehlerfrei funktionierende Elektronik ent- liertes Verständnis darüber, wie innere
steht. Strukturen und fundamentale Prozesse
zusammenhängen.
Die Bauteile für Roboter, Drohnen oder auto-
nome Fahrzeuge müssen ausfallsicher und
zuverlässig sein. Mit den modernen Lichtquel-
len wird eine zerstörungsfreie Fehleranalytik
möglich. Zwei Beispiele, die den Fortschritt
der zukünftigen Lichtquellen verdeutlichen: Große und schnelle Computer-Anlagen sind unerlässlich zur
Speicherung, Weiterleitung und Verarbeitung von Messdaten.
•M
agnetische Wirbel, sogenannte Skyr- (© DESY / H. Müller-Elsner)
mionen, bergen ein großes Potenzial
für die Datenspeicherung und könnten
schon bald zu einem sprunghaften An-
stieg von Geschwindigkeit und Energie- Dr. Manfred Horstmann
effizienz moderner Computer führen. Geschäftsführer Globalfoundries Dresden
„Eine breite Materialforschung ist essenzielle Vorausset-
•D
ie deutsche Wirtschaft setzt große zung für die Weiterentwicklungen in der Informations- und
Hoffnungen auf die Realisierung eines Kommunikationstechnologie. Am Entwicklungs- und Pro-
Quantencomputers mittels Festkörper- duktionsstandort Deutschland sind dafür modernste Groß-
Qubits. Diese würden die Datenver- forschungseinrichtungen wie BESSY III, DALI und PETRA IV
arbeitung enorm beschleunigen. von herausragender Bedeutung.“
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Helmholtz Photon Science Roadmap
KLIMANEUTRALITÄT BESCHLEUNIGEN
Energie nachhaltig erzeugen, nutzen und Prof. Robert Schlögl
speichern: Zahlreiche vielversprechende Direktor Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Projekte werden im Rahmen der Energiewen- und Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion
de als Gegenmaßnahmen zum Klimawandel „Die neuen Quellen werden hervorragende Forschungs-
initiiert. Die Herstellung und Umwandlung möglichkeiten zur Untersuchung neuartiger Katalysatoren
von grünem Wasserstoff ist ein Beispiel. Ge- bieten, wie sie zum Beispiel zu Herstellung und Transport
forscht wird unter anderem an winzigsten, von grünem Wasserstoff nötig sind.“
strukturierten Systemen, bei denen aktive
Katalysator-Materialien auf dünnen Schich-
ten konzentriert sind. Zwei Beispiele:
•D
ünner als ein Haar ist die bauliche Prozesse in der Brennstoffzelle oder
Einheit einer Solarzelle und eines Was- Methanolsynthese.
serstoff-Elektrolyseurs. Die Mini-Kraft-
werke könnten auf Dächer gesprüht Das Röntgenlicht der neuen Photo-
werden. Die Lichtreaktionen der Solar- nenquellen hilft, die Reaktionen unter
zelle werden erst mit den neuen Anla- realen Einsatzbedingungen zu verstehen.
gen detailliert verstanden. Ein Erkenntnisgewinn, der zu neuen
Materialien und Bauteilen führt. Der
•K
atalysatoren sind die Voraussetzung gesamte Prozess der Energieerzeugung
für rund 90 Prozent aller relevanten und -speicherung wird deutlich effizienter.
Prozesse in der chemischen Industrie
und im Energiebereich. Dazu zählen
sämtliche mit der Wasserstofftechnolo-
gie verbundenen Abläufe der Energie- Sonnenenergie kann zur Herstellung von Wasserstoff,
umwandlung: wie Wasserspaltung, einem vielseitigen Brennstoff, genutzt werden. (© HZB)
zurück zu Inhaltsverzeichnis 10Helmholtz Photon Science Roadmap
ERDE UND UMWELT SCHÜTZEN
Unsere Erde verändert sich ständig. Unzählige Prozesse sind dafür Prof. Mojib Latif
verantwortlich. Sichtbar sind sie oft nur auf der Mikro- oder Nano- GEOMAR und Universität Kiel,
skala, können jedoch, wie der Klimawandel zeigt, globale Auswir- Präsident der Deutschen Gesellschaft
kungen haben. CLUB OF ROME
„Die Erforschung der komplexen
Auch der Wasserkreislauf hat viele Effekte auf unsere direkte Um- Zusammenhänge im Mikrokosmos
welt. Mittels modernster Lichtquellen wird es möglich, den Zusam- ist für die Klimaforschung hochrele-
menhang zwischen der atomaren Struktur und Dynamik von Wasser vant. So spielen die Photonenquellen
sowie den beobachtbaren Eigenschaften besser zu verstehen. Viele eine wichtige Rolle für die Untersuchung von
Prozesse sind noch nicht vollständig verstanden: molekularen Prozessen in der Erdatmosphäre, ohne die
zukünftige Klimaentwicklungen nicht vertrauenswürdig
vorhersagt werden können.“
•B
iologische Stoffwechselprozesse wie Fotosynthese und
Zellatmung.
•V
erwitterung von Oberflächen durch Korrosion, die jährlich
wertvolle Ressourcen vernichtet.
Für die Untersuchung dieser lokal auftretenden Effekte ist
die Nutzung der fein fokussierten Strahlen der Lichtquellen
eine wesentliche Voraussetzung. Durch den technologischen
Fortschritt der neuen Anlagen wird das Zusammenspiel von
Wassermolekülen mit Proteinen in Zellen oder Elektronen an
Materialoberflächen aufgedeckt.
Dank Photonenquellen können Forscherinnen und Forscher zum Beispiel den Arsenanteil
in Pflanzen im Detail nachweisen und messen. (© DESY / H. Müller-Elsner)
zurück zu Inhaltsverzeichnis 11Helmholtz Photon Science Roadmap
KULTURELLES ERBE NEU BELEUCHTEN
Das Gold kam aus Cornwall in England, nicht Prof. Joachim Ullrich
wie vermutet aus Rumänien. Das zeigte die Präsident der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in
zerstörungsfreie Untersuchung der Him- Braunschweig, designierter Präsident der DPG
melsscheibe von Nebra an einer Photonen- „Genaue Messungen – also Metrologie mit Synchrotron-
quelle. Die Erkenntnis erlaubte Rückschlüs- strahlung für Industrie und Wissenschaft – sind eine
se auf Handelswege von vor 4000 Jahren. Erfolgsgeschichte in Deutschland mit weltweiter Allein-
stellung. Die neuen Quellen werden diese internationale
Ob Goldfund oder Analyse eines Dino-Kno- Spitzenstellung weiter ausbauen und den Innovationsstand-
chens: Synchrotronlicht eröffnet Einblicke ort Deutschland und Europa nachhaltig stärken.“
in wertvolle Kulturgüter, die mit den klas-
sischen Methoden der Archäologie allein
nicht möglich wären und das, ohne sie da-
bei zu beschädigen. Mit den Lichtquellen
lässt sich sogar unter die Farbe schauen.
Übermalte Bilder auf derselben Leinwand
werden wieder sichtbar. Die Methode eignet
sich zur Echtheitsprüfung oder zur Untersu-
chung von Pergament und wie dieses durch
bestimmte Tinten über Jahrhunderte hinweg
zerstört wird. Die gewonnenen Erkenntnisse
helfen, antike Schriftstücke vor dem Verfall
zu bewahren oder sie zu restaurieren.
Die neuen Lichtquellen mit ihrer er-
höhten Sensitivität werden entscheidende Sogar die Himmelsscheibe von Nebra wurde mit Durch eine Lichtquelle aufgedeckt: Unter dem van Gogh-Gemälde einer
Beiträge zur Kulturforschung liefern und dem Licht von Photonenquellen untersucht. Graslandschaft befindet sich das Porträt einer Frau.
so manche Geheimnisse entschlüsseln. (© BAM / M. Radtke) (© TU Delft / DESY)
zurück zu Inhaltsverzeichnis 12Helmholtz Photon Science Roadmap Das hauchdünne Material Graphen besteht aus einer einzigen Lage
verketteter Kohlenstoff-Atome und gilt als vielversprechender Kandidat
WELTWEIT VERNETZEN für die Nanoelektronik der Zukunft. (© HZDR/Juniks)
Mit seinen Photonenquellen leistet Deutsch- Die Konkurrenz unter den beschleunigerba-
land seit 1964 Pionierarbeit: Damals wur- sierten Lichtquellen weltweit ist enorm. In
den die weltweit ersten Experimente am den Vereinigten Staaten und in Asien liefern
Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY die Photonenquellen einen wichtigen Beitrag
in Hamburg durchgeführt. Seitdem konnte zu nationalen Innovationsstrategien. Neu-
Deutschland seine internationale Führungs- bau oder Modernisierung älterer Anlagen ist
position stetig ausbauen. daher essenziell, um an der Spitze des tech-
nologisch Machbaren zu operieren.
Großforschungsanlagen ermöglichen nicht
nur grundlegende Experimente in vielen For- Damit Deutschland und Europa in
schungsdisziplinen, sondern sie holen auch der Forschung zukunftsfähig, innovativ
herausragende Wissenschaftlerinnen und und kompetitiv bleiben, bieten die
Wissenschaftler aus aller Welt ins Land. In neuen Anlagen beste Voraussetzungen.
diesem inspirierenden Umfeld werden junge Sie eröffnen völlig neuartige Möglich-
Menschen zu hochqualifizierten Spitzenkräf- keiten zur Analyse von Funktion und
ten ausgebildet. Struktur der Materie.
Dr. Caterina Biscari
Chair of League of European Accelerator-based Photon
Sources (LEAPS) and Director of ALBA (Spain)
„Traditionally the German synchrotron and FEL photon
sources are extremely important for the portfolio of
sources in Europe. Realisation of the Helmholtz Roadmap
will ensure that Germany and Europe will stay at the
forefront in the respective field of research.“
zurück zu Inhaltsverzeichnis 13Helmholtz Photon Science Roadmap
RESILIENZ STÄRKEN
Mit den neuen Anlagen wird es spektakuläre stetigen Zugang, selbst gegenüber nicht-
Einblicke in winzigste Dimensionen geben: In vorhersagbaren Einflüssen. Dies ist unter
Echtzeit können die ultraschnellen Bewegun- wettbewerblichen wie unter ökonomischen
gen von Elektronen oder biologische Prozes- Aspekten ein bedeutender Mehrwert.
se beobachtet und sogar verändert werden.
Die Schwierigkeiten dabei: Die Menge der Die Helmholtz-Gemeinschaft stellt
anfallenden Daten wächst erheblich, eben- sich nicht nur mit ihrer Forschung den
so die Geschwindigkeit, in der sie verarbeitet Herausforderungen der 17 Ziele für
werden müssen. nachhaltige Entwicklung der Vereinten
Nationen (UN): Durch gezielten Ausbau
Blitzschnell müssen Entscheidungen getrof- des Remotezugangs werden Reisetätig-
fen werden, um während der Experimente keiten reduziert und Zugang zu Spitzen-
in den Prozessablauf einzugreifen. Das lässt forschung wird grenzüberschreitend Der Roboterarm ermöglicht einen schnellen, automatischen Wechsel
sich einzig durch einen vollständig digita- und in Partnerschaft möglich. tiefgekühlter Proben (Mitte). So können insbesondere Proteinstrukturen
len Betrieb realisieren, in dem mithilfe von höchst effizient untersucht werden. (© DESY / H. Müller-Elsner)
Künstlicher Intelligenz und schneller Daten-
analyse automatisiert gesteuert wird.
Durch umfassende Digitalisierung des Be-
triebes der neuen Anlagen werden die Ex- Prof. Martin Stratmann
perimente weitgehend „Remote“, das heißt Präsident der Max-Planck-Gesellschaft (MPG)
vom Büro oder von Zuhause aus gesteuert. „Institute der Max-Planck-Gesellschaft arbeiten sehr eng
Die aktuelle Corona-Pandemie lehrt uns, mit der Helmholtz-Gemeinschaft auf dem Feld der Nutzung
dass ein solcher „Remote Access“ von un- beschleunigerbasierter Photonenquellen zusammen. Die
schätzbarem Wert sein kann. Stabilität und MPG begrüßt die Photon Science Roadmap außerordentlich
Fehlertoleranz der Anlagen gewährleisten als wichtiges Element auch weiterhin exzellente Forschung
akademischer wie industrieller Forschung auf diesem Gebiet in Deutschland zu ermöglichen.“
zurück zu Inhaltsverzeichnis 14Helmholtz Photon Science Roadmap
DIE ZUKÜNFTIGEN LICHTQUELLEN IN DEUTSCHLAND
BETREIBER HEUTE ZUKUNFT START CHANCEN
DESY PETRA III PETRA IV 2027 Ausbau der bestehenden Lichtquelle PETRA III in Hamburg zu PETRA IV. Das dort bereitgestellte Röntgenlicht
bildet atomare Strukturen von Materialien unter Live-Prozessbedingungen ab. Leistungsfähigere Batterien,
Deutsches Elektronen-
neue medizinische Wirkstoffe gegen Krankheiten oder maßgeschneiderte Materialien für die Quantenelektronik:
Synchrotron, Hamburg
Mit den dann tiefen Einblicken in den Nanokosmos entstehen wissenschaftliche Fortschritte. Nach Fertig-
stellung ist DESYs 3D-Röntgenmikroskop weltweit einzigartig.
HZB BESSY II BESSY III 2032 BESSY III wird die neue Entdeckungsmaschine für die Energie- und Materialforschung. Die weichen Röntgen-
strahlen offenbaren ortsaufgelöste Informationen über elektronische Eigenschaften. Neue Operando-Tech-
Helmholtz-
niken erlauben Echtzeitforschung, die neue Einblicke in die Funktionalität von Materialien ermöglichen. Hightech-
Zentrum Berlin
Materialien für künstliche Fotosynthese zur Herstellung von grünem Wasserstoff sowie für Quantencomputer
werden damit realistisch.
DESY FLASH FLASH 2025 Der Freie-Elektronen-Laser FLASH2020+ wird kontinuierlich bis 2026 modernisiert. Mit Abschluss
2020+ der Umbauphase wird die FLASH-Anlage eine weltweit führende Position im Bereich der FELs für weiche
Deutsches Elektronen-
Röntgenstrahlung sein.
Synchrotron, Hamburg
HZDR ELBE DALI 2030 In Dresden entsteht eine neue Forschungsanlage mit zwei supraleitenden Elektronenbeschleunigern: DALI.
Diese liefert Terahertz- und Vakuum-Ultraviolett-Strahlung. Mit ihrem Licht sollen Materialien zur ultraschnellen
Helmholtz-Zentrum
Datenverarbeitung entschlüsselt werden, die zum Beispiel die Nachfolger des 5G-Mobilfunkstandards werden
Dresden-Rossendorf
können.
European XFEL EUXFEL EuXFEL 2028 Die Helmholtz-Gemeinschaft finanziert den deutschen Beitrag zur Weiterentwicklung des international
betriebenen Röntgenlasers. European XFEL ermöglicht die Untersuchung der atomaren Struktur, Dynamik
Schenefeld
und Funktion von Materie. Ziel ist die optimale Nutzung von hohen Pulswiederholraten. Dadurch können
deutlich mehr Experimente durchgeführt und neue Forschungsfelder erschlossen werden.
Mit der Umsetzung dieser nationalen Strategie zur Weiterentwicklung beschleunigerbasierter Lichtquellen werden
komplementäre Forschungsanlagen entstehen, die in ihrer Kombination weltweit einmalig völlig neue Forschung mit Röntgen-
licht ermöglichen. Dies führt zu wegweisenden Technologien und stimuliert den Forschungs- und Wirtschaftsstandort
Deutschland nachhaltig.
zurück zu Inhaltsverzeichnis 15Helmholtz Photon Science Roadmap IMPRESSUM: Herausgeber: Helmut Dosch, Jan Lüning, Sebastian M. Schmidt aus dem Forschungsbereich Materie der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren Inhalt und Redaktion: Ina Helms, Heidrun Hillen, Sven Kiele, Florentine Krawatzek, Wiebke Laasch, Kim-Astrid Magister, Simon Schmitt, Barbara Schramm, Olaf Schwarzkopf, Edgar Weckert Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), Deutsches-Elektronen Synchrotron (DESY), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) Fotonachweise Titel: HZDR / S. Floss, HZB / S. Steinbach, DESY / C. Schmid Layout: Schleuse01 Werbeagentur GmbH Stand: Juni 2021 Die Broschüre stellt eine Kurzfassung der Helmholtz Photon Science Roadmap dar. Weitere Informationen erhalten Sie unter dieser E-Mail-Adresse: photonscience@helmholtz.de
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