HELMHOLTZ-ROADMAP FÜR FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN II 2015
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HELMHOLTZ-ROADMAP FÜR FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN II 2015
HELMHOLTZ-ROADMAP FÜR FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN II 2015
INHALT Vorwort������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������5 Roadmap-Prozess in der Helmholtz-Gemeinschaft����������������������������������������������������������������������������������������������6 Helmholtz-Roadmap 2011 – Eine Bilanz���������������������������������������������������������������������������������������������������������������7 Forschungsinfrastrukturen der Helmholtz-Roadmap 2015���������������������������������������������������������������������������������8 Forschungsbereich Energie��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������10 Forschungsbereich Erde und Umwelt����������������������������������������������������������������������������������������������������������������17 Forschungsbereich Gesundheit��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������24 Forschungsbereich Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr������������������������������������������������������������������������������������� 30 Forschungsbereich Materie��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������37 Forschungsbereich Schlüsseltechnologien������������������������������������������������������������������������������������������������������� 49 Beteiligung der Helmholtz-Gemeinschaft an ESFRI-Projekten��������������������������������������������������������������������������57 Separat finanzierte Projekte������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 60 ANHANG���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������61 Der Roadmap-Prozess in der Helmholtz-Gemeinschaft�������������������������������������������������������������������������������������61 Forschungsinfrastrukturen der Helmholtz-Gemeinschaft – Nutzergeräte������������������������������������������������������ 63
VORWORT
Ob Beschleunigeranlagen, Teleskope, Forschungsschiffe oder Höchstleistungsrechner –
große Forschungsanlagen ermöglichen essenzielle wissenschaftliche Fortschritte für die
globalen gesellschaftlichen Herausforderungen. Die Helmholtz-Infrastrukturen bieten her-
vorragende Bedingungen für unsere eigene Forschung sowie für Nutzer aus aller Welt, die
an den teilweise einzigartigen Anlagen ihre Forschungsfragen bearbeiten.
Komplexe Großgeräte aufzubauen, zu betreiben und weiterzuentwickeln sind wesentlicher
Teil der Helmholtz-Mission. Der Roadmap-Prozess identifiziert und plant – strategisch und
langfristig – die wichtigsten zukunftsrelevanten Infrastrukturen und stellt so die Weichen für
die zukünftige Forschung der Helmholtz-Gemeinschaft. Er ist mit den in der Helmholtz-Ge-
meinschaft vorhandenen Prozessen verschränkt, insbesondere mit der Programmorientierten
Förderung. Basierend auf den Begutachtungsergebnissen wird der Bedarf neuer Großgeräte
ermittelt und das Forschungsportfolio entsprechend angepasst. Dabei holen wir die Meinung
und Expertise wissenschaftlicher Partner ein, die an und mit unseren Anlagen arbeiten.
Investitionen in komplexe Forschungsinfrastrukturen sind in vielerlei Hinsicht auch Investitio-
nen in die Zukunft. Bau und Betrieb führen zu einem erheblichen wirtschaftlichen Mehrwert;
denn Unternehmen, die an der Errichtung und dem Betreiben der Großanlagen beteiligt sind,
profitieren von den hohen Anforderungen, die an die Anlagen gestellt werden. Dadurch ver-
bessern die Betriebe die Qualität ihrer eigenen Produkte und Dienstleistungen. Auf diese
Weise können Forschungseinrichtungen mit ihren Großgeräten ganze Regionen stärken und
deren Innovationskompetenz steigern. Darüber hinaus zahlen die Infrastrukturen – nicht zu-
letzt wegen ihrer internationalen Ausrichtung – auf den wissenschaftlichen Nachwuchs ein.
Durch eigene Forschungsaktivitäten, Kooperationen mit weltweiten Partnern und den engen
Kontakt zu High-Tech-Unternehmen erhalten junge Forscherinnen und Forscher die Chance
auf umfassende und optimale Ausbildung.
In der dritten Begutachtungsrunde im Rahmen der Programmorientierten Förderung 2013/14
bescheinigten die Experten der Helmholtz-Forschung eine hervorragende wissenschaftliche
Qualität und Leistungskraft. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat
mit ihrer Nationalen Roadmap 2013 wichtige Weichen zur Stärkung der Innovationsfähigkeit
Deutschlands gestellt. Auf europäischer Ebene überabeitet das European Strategy Forum for
Research Infrastructures (ESFRI) – die Plattform für Projekte von europäischer Dimension –
ihre Roadmap.
In den vergangenen Monaten haben wir die Helmholtz-Roadmap einer kritischen Prüfung
unterzogen – auch im Dialog mit unseren wissenschaftlichen Partnern, um künftig noch
stärker auf die Bedarfe der Nutzer einzugehen. Die vorliegende Publikation ist ein wichtiger
Diskussionsbeitrag, der unter anderem zur Entscheidung beiträgt, welche Forschungsinfra-
strukturen in Zukunft realisiert werden.
Prof. Dr. Jürgen Mlynek
Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft
5
ROADMAP-PROZESS IN DER HELMHOLTZ-GEMEINSCHAFT
Die Helmholtz-Roadmap listet die wichtigsten zukunftsrelevanten 3. mit dem Investitionsverfahren: Investitionen in Forschungsin-
Forschungsinfrastrukturen der Helmholtz-Gemeinschaft auf, die in frastrukturen stellen strategische Weichenstellungen dar und
den kommenden Jahren für die strategische Umsetzung ihres wis- werden im Rahmen eines transparenten und qualitätssichern-
senschaftlichen Portfolios relevant sind. Aus wissenschaftlicher den Verfahrens auf der Ebene der Gemeinschaft diskutiert und
und wissenschaftspolitischer Sicht werden diese Vorhaben aus entschieden. Für dieses Verfahren sind innerhalb der Helmholtz-
den sechs Forschungsbereichen Energie, Erde und Umwelt, Ge- Gemeinschaft die Kriterien verbindlich festgehalten, anhand de-
sundheit, Materie, Schlüsseltechnologien sowie Luftfahrt, Raum- rer die Diskussion geführt und letztendlich die Entscheidungen
fahrt und Verkehr als notwendig erachtet: um die langfristigen For- über zukünftige strategische Investitionen in den Forschungs-
schungsziele zu verfolgen und den anstehenden gesellschaftlichen zentren getroffen werden. Das Helmholtz-Budget für strategi-
Herausforderungen mit adäquaten Lösungen zu begegnen. sche Investitionen bestimmt auch den zur Verfügung stehenden
Konzeption, Bau und Betrieb von Großgeräten und wissenschaft Finanzrahmen.
lichen Infrastrukturen sind Kernelemente der Mission der Helm- 4. mit den Dialogplattformen mit den Zuwendungsgebern für den
holtz-Gemeinschaft. Nationalen und internationalen Partnern strategischen Austausch. Dabei hat die Langfristplanung für
stehen die Nutzergeräte für ihre Forschung zur Verfügung. Die Bau, Betrieb und Finanzierung großer, in zunehmendem Maße
Helmholtz-Roadmap dient daher als Grundlage: auch internationaler Forschungsinfrastrukturen einen zentralen
Stellenwert.
• für die Diskussion der strategischen Planungen mit den Zuwen-
dungsgebern, insbesondere zur Erstellung einer Nationalen 2011 präsentierte die Helmholtz-Gemeinschaft erstmals ihre Road-
Roadmap; map für Forschungsinfrastrukturen. Im Rahmen der Begutachtun-
• für die Beratungen der Finanzierungsstrategien zum Aufbau und gen für die dritte Programmperiode 2013 und 2014 hat sie nicht
Betrieb der Forschungsinfrastrukturen; nur wertvolle Hinweise für ihr Forschungsportfolio, sondern auch
• für die Helmholtz-interne Entscheidung für die strategischen für ihre Infrastrukturplanung selbst erhalten. In den vergangenen
Ausbauinvestitionen; sowie Jahren wurden einige Projekte begonnen, andere an die erforderli-
• für die konkrete Abstimmung mit der Nutzergemeinschaft. chen Gegebenheiten angepasst oder gänzlich von der Liste genom-
men, da sie sich nur teilweise oder gar nicht umsetzen ließen bzw.
Der Roadmap-Prozess ist zeitlich und inhaltlich mit bereits etablier- lassen.
ten Prozessen in der Gemeinschaft verschränkt, die im Folgenden Vor diesem Hintergrund hat die Helmholtz-Gemeinschaft die ge-
aufgelistet sind: planten Vorhaben für Forschungsinfrastrukturen kritisch diskutiert
und Kriterien sowie zusätzliche Leitlinien überarbeitet. Darüber
1. mit dem Portfolioprozess: Um sich kontinuierlich mit der inhaltli- hinaus wurden die Projekte mit den wissenschaftlichen Partnern
chen Weiterentwicklung des wissenschaftlichen Programms für aus Universitäten und anderen Forschungsorganisationen auf ei-
die nächsten 10 bis 20 Jahre auseinanderzusetzen, wurde in den nem Symposium vorgestellt und erörtert. Als Ergebnis legen wir
Forschungsbereichen ein Foresight-Prozess etabliert. Aus die- nun die neue Helmholtz-Roadmap 2015 vor.
sen Diskussionen ergibt sich der Bedarf an neuen Forschungs-
infrastrukturen. Umgekehrt beeinflussen Entscheidungen über
die Realisierung neuer Forschungsinfrastrukturen wesentlich
das Forschungsportfolio.
2. mit der Programmorientierten Förderung und insbesondere den
Programmbegutachtungen als Teil des Foresight-Prozesses in-
nerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft: Alle fünf Jahre steht die
Forschungsstrategie von Helmholtz auf dem Prüfstand und wird
von internationalen unabhängigen Gutachterteams nach festen
Kriterien bewertet. Die Infrastrukturen bilden einen Teil dieser
Strategie und werden in die Programme und ihre Begutachtun-
gen mit einbezogen.
6
HELMHOLTZ-ROADMAP 2011 – EINE BILANZ
40 Forschungsinfrastrukturen präsentierte die Helmholtz-Gemein- • Das HZI-Zentrum für Wirkstoffforschung und Funktionelle
schaft in ihrer ersten Roadmap 2011, ferner die geplanten Beteili- Genomforschung6 untersucht und charakterisiert Infektions-
gungen an ESFRI-Projekten (siehe Abschnitt 3b). 10 der 40 Vorha- prozesse und dient zudem der Entdeckung und Weiterentwick-
ben konnten bisher in die Implementierung überführt werden: lung von Naturstoffen als Leitstrukturen für neue Anti-Infektiva.
In interdisziplinären Kooperationen werden Wirkstoffkandidaten
• Die Helmholtz Energy Materials Characterization Platform zur Überführung in die klinische Entwicklung identifiziert und
(HEMCP)1ist eine Infrastruktur-Plattform zur Entwicklung neuer weiterentwickelt.
Materialien und Werkstoffe für die Energietechnik. Diese sind • Das Forschungs- und Entwicklungszentrum Bildgebung,
essenziell für Innovationen in Hinblick auf die zukünftige Ener- Radioonkologie und präventive Onkologie7 erfüllt die tech-
gieversorgung und die Transformation des Energiesystems. nischen und in regulatorischer Hinsicht notwendigen Voraus-
• Das Energy Lab2 vernetzt an nur einem Standort und in inte- setzungen, um radioonkologische Forschung auf international
grierter Modulkonzeption die komplexen Prozessketten in der höchstem Niveau zu betreiben. Die Integration innovativer Tech-
Energiewandlung, Veredlung, sowie Energiespeicherung und nologien schafft optimale Voraussetzungen für die Entwicklung
Energiemanagement. Es erforscht hochdynamische Wechsel- und Erprobung neuer Gerätetypen und Verfahrensabläufe und
wirkungen und ermöglicht so ein einzigartiges Energielabor. bietet eine Basis für die Durchführung innovativer Screening-
• Der rapide Rückgang der arktischen Meereisbedeckung wird und präventiver Studien.
weitreichende Konsequenzen für den Ozean sowie das Erd- • Das Bayerische NMR Zentrum8 erforscht mit hochmodernen
system haben. In der Fram-Straße als Schlüsselregion für den Kernspinresonanz-Spektrometern die Dynamik biomedizinisch
Austausch zwischen Nordatlantik und Arktischem Ozean wird relevanter Proteine und Proteinkomplexe. Der Schwerpunkt der
das FRAM-Observatorium (Frontiers in Arctic marine Mo- Aktivitäten auf dem Gebiet dieser NMR-Spektroskopie liegt auf
nitoring – FRAM)3 Messsysteme miteinander vernetzen und der Erforschung der Struktur und Dynamik von Biomakromole-
neue, moderne Messmodule und Schnittstellen bereitstellen, külen (Proteine, Nukleinsäuren).
um die komplexen Interaktionen des Arktischen Ozeans zu er- • Die Helmholtz International Beamlines at the European
forschen. XFEL9 werden die wissenschaftlichen Möglichkeiten des XFEL
• Das Ziel des Advanced Remote Sensing – Validation and Test auf verschiedenen Forschungsgebieten, die von extremen Zu-
Facilities (ACROSS)4 ist die Entwicklung geeigneter Methoden ständen der Materie (extreme Felder, relativistische Plasmen
und Technologien, um komplexe Satellitendaten für Fragen der und Hochdruck) über Materialphysik und Magnetismus bis zur
globalen Erdbeobachtung zu validieren. Aufbauend auf den heu- strukturellen Biologie reichen, signifikant erweitern. Drei Helm-
te verfügbaren Modellsystemen in den Umwelt- und Geowissen- holtz-geführte internationale Nutzerkonsortien HIBEF, hRIXS
schaften können mögliche zukünftige Szenarien prognostiziert und SFX werden die Instrumente betreiben und sie externen
werden. Nutzern zur Verfügung stellen.
• Das Center for Integrated Diabetes Research (CIDR)5 bietet • Von dem Zentrum für Strukturbiologie wird ein Teil am For-
mit einem neuen Gebäude, in dem unterschiedliche Arbeits- schungszentrum Jülich realisiert. Die NMR-Spektroskopie ermög-
gruppen zusammenarbeiten, ideale Rahmenbedingungen, um licht die Ermittlung hochaufgelöster 3D-Strukturen von Proteinen
die zukunftsweisende Diabetesforschung nach internationa- sowie die Untersuchung der Dynamik dieser Biomoleküle und die
lem Standard voranzutreiben. Dies zieht einen Paradigmen- Charakterisierung ihrer Interaktion mit Liganden. In einem engen
wechsel nach sich, der auf einem integrierten und interdiszipli- Forschungsnetzwerk gemeinsam mit OCD-Spektroskopie, Rönt-
nären Forschungsansatz, Wissenstransfer und Wertschöpfung genkristallographie und Neutronenstreuung werden neue Wege
beruht. in der Gesundheits-, Material- und Umweltforschung eröffnet.
1 Beteiligte Zentren im Forschungsbereich Energie: DESY, DLR, FZJ, HZB,
HZDR, HZG, KIT
2 Beteiligte Zentren im Forschungsbereich Energie: DLR, FZJ, KIT
3 Beteiligtes Zentrum im Forschungsbereich Erde und Umwelt: AWI 6 Beteiligtes Zentrum im Forschungsbereich Gesundheit: HZI
4 Beteiligte Zentren im Forschungsbereich Erde und Umwelt: AWI, FZJ, 7 Beteiligtes Zentrum im Forschungsbereich Gesundheit: DKFZ
GFZ, HMGU, HZG, KIT, UFZ 8 Beteiligtes Zentrum im Forschungsbereich Gesundheit: HMGU
5 Beteiligtes Zentrum im Forschungsbereich Gesundheit: HMGU 9 Beteiligte Zentren im Forschungsbereich Materie: DESY, HZDR
7
FORSCHUNGSINFRASTRUKTUREN
DER HELMHOLTZ-ROADMAP 2015
Forschungsinfrastruktur Beteiligte Zentren beteiligte LK I / Investitionskosten Betriebskosten p.a Projektbeginn
Programme LK II insgesamt / Anteil in Mio. € und -ende
Helmholtz in Mio. €
GeoLaB – Geowissenschaftliches KIT (Koordination); Erneuerbare LK I 40 / 40 0,8 Bau: 2018 – 2021;
Untertagelaboratorium und inter- GZF, UFZ Energien Betrieb: mind. 5 Jahre
nationale Forschungsplattform
Living Lab Energy Campus (LLEC) FZJ Erneuerbare Ener- LK I 18 / 18 1,2 Bau: 2017 – 2019;
gien; Energieeffi- Betrieb: 6 Jahre
zienz, Materialien
und Ressourcen;
Speicher und
vernetzte Infra-
strukturen
Energie
Helmholtz Forschungs- und KIT (Koordination); Nuclear Waste LK I 38 / 38 3 Bau: 2017 – 2020;
Versuchsplattform zur Entsorgung FZJ, HZDR Management, Sa- Betrieb: mind. 30 Jahre
radioaktiver Abfälle und zum fety and Radiation
Rückbau kerntechnischer Anlagen Research
(HOVER)
High Power Grid Lab KIT Speicher und LK I 40 / 40 2 Bau: 2017 – 2021;
vernetzte Infra- Betrieb: mind. 20 Jahre
strukturen
W7X HiPoWer: Wendelstein IPP (Koordination); Kernfusion LK I 38 / 38
Forschungsinfrastruktur Beteiligte Zentren beteiligte LK I / Investitionskosten Betriebskosten p.a Projektbeginn
Programme LK II insgesamt / Anteil in Mio. € und -ende
Helmholtz in Mio. €
Tandem-L DLR Raumfahrt; LK I Bau: 600 / 30 8,3 Bau: 2016 – 2021
Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
Programme Erde (dt. Anteil: 400) Betrieb: mind. 6 Jahre
und Umwelt
NGT FT DLR Verkehr LK I 25/25 1 Bau: 2016 – 2017
Betrieb: 15 Jahre
iSTAR DLR Luftfahrt LK I 40/40 2.5 Bau: 2016 – 2018
Betrieb: 10 Jahre
NGC-FID DLR Verkehr LK I 18,5/18,5 1 Bau: 2016 – 2019
Betrieb: 10 Jahre
C-Cube – Concurrent Certification DLR Luftfahrt, LK I 17/17 4 Bau: 2016 – 2017
Centre Raumfahrt Betrieb: 10 Jahre
Large Hadron Collider (LHC) – DESY (Koordination), Matter and the LK I 45 / 28 1,2 Bau: 2015 – 2023;
Upgrades der LHC-Detektoren KIT, GSI Universe Betrieb: bis mind. 2035
(LHC-Upgrades)
Global Cosmic Ray Observatories KIT Matter and the LK I 390 / 45 15, Bau: 2022 – 2030;
Universe davon Helmholtz 1 Betrieb: 30 Jahre
EDM @ COSY FZJ Matter and the LK I 50 / 50 5 Bau: nach 2020
Universe Betrieb: nach 2020
BESSY-VSR (Variabler Pulslängen- HZB From Matter to LK II 20 / 17.5 (Phase I); 42, Bau: 2017 – 2020;
Speicherring) Beschleuniger Materials and Life 20 / 12.5 (Phase II) (2 zusätzlich zu Betrieb: 10 Jahre
BESSY II)
FLASH Upgrade DESY From Matter to LK II 60 – 80 52 Bau: 2019 – 2020;
Materials and Life Betrieb: mind. 15 Jahre
Materie
PETRA IV DESY From Matter to LK II 250 – 300 71,6 Bau: 2025 – 2026;
Materials and Life Betrieb: mind. 15 Jahre
BESSY III HZB From Matter to LK II 550 – 750 55 – 75 Bau: 2023 – 2028;
Materials and Life Betrieb: mind. 30 Jahre
European XFEL Phase II DESY From Matter to LK II 550 Gesamtkosten Bau: 2028 – 2030;
Materials and Life noch offen Betrieb: mind. 20 Jahre
15 – 20 zusätzlich
zu Phase I
Hochbrillianz Spallationsquelle FZJ From Matter to LK II 200 20 Bau: 2028 – 2033;
(HBS) Materials and Life Betrieb: 35 Jahre
Accelerator Technology HElmholtz DESY; GSI mit Matter and Tech- LK I 73 / 30 2,2 Bau: 2018 – 2021;
iNfrAstructure (ATHENA) HI-Jena, FZJ, HZB, nology Betrieb: mind. 10 Jahre
HZDR, KIT
Jülich Short-pulsed Particle and FZJ Future Information LK I 31 / 31 3 Bau: 2017 – 2019;
Radiation Centre (JuSPARC) Technology Betrieb: 20 Jahre
Large Scale European Facilities in FZJ Future Information LK I 110 / 25 5 Planung: 2016,
Electron Microscopy Technology Bau: 2018,
Betrieb: 15 Jahre
Karlsruhe Center for Optics & KIT Science and LK I 49 / 40 3 Bau: 2017 – 2021;
Schlüsseltechnologien
Photonics (KCOP) Technology of Betrieb: mind. 15 Jahre
Nanosystems
Helmholtz Data Federation (HDF) KIT (Koordination), Supercomputing & LK I / LK II 48 / 48 7 Bau: 2017 – 2021
AWI, DESY, DKFZ, Big Data (kontinuierlicher Ausbau)
FZJ, GSI Betrieb: mind. 20 Jahre
(bei regelmäßiger
Erneuerung)
Interdisciplinary Centre for KIT BioInterfaces in LK I 36 / 23 2,2 Bau: 2017 – 2020;
Biomaterials and Biotechnologies Technology and Betrieb: mind. 50 Jahre
Research (ICBBR) Medicine
Innovationsplattform für last- HZG Advanced Enginee- LK I 25 / 25 2 Bau: 2018 – 2020;
tragende und multifunktionale ring Materials Betrieb: 20 Jahre
Materialsysteme (InnoMatSy)
9
FORSCHUNGSBEREICH ENERGIE
Energie
Sichere, bezahlbare und umweltverträgliche Energie bereitzustellen Großinvestitionen auf die programmatische Forschung ist ein zen-
und effizient zu nutzen, gehört gegenwärtig und zukünftig zu den trales Steuerungselement und Alleinstellungsmerkmal für die For-
großen Aufgaben von Wissenschaft, Wirtschaft und Politik. Dazu schungsaktivitäten in der Helmholtz-Gemeinschaft.
bedarf es ganzheitlicher Forschungsansätze, die alle relevanten Für den Forschungsbereich Energie ist bereits eine strategische
Wandlungs-, Verteilungs-, Speicherungs- und Nutzungstechniken Ausbauinvestition positiv begutachtet worden, welche sich nun im
betrachten, sowie Systemzusammenhänge und gesellschaftliche Priorisierungsverfahren befindet: „HEMF – Helmholtz Energy Ma-
Aspekte berücksichtigen und einbeziehen. Langfristig müssen ri- terials Foundry“. Fünf weitere Investitionsvorhaben („Living Lab
sikobehaftete, klimaschädliche und begrenzt verfügbare Energie- Energy Campus“, „GeoLaB – ein geowissenschaftliches Untertage-
quellen durch solche ersetzt werden, die dauerhaft verfügbar und labor“, „High Power Grid Lab – ein Hochleistungslabor elektrischer
klimaneutral sowie sicher nutzbar sind. Netze und Netzbetriebsmittel“, „HOVER – Helmholtz Forschungs-
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Forschungsbe- und Versuchsplattform zur Entsorgung radioaktiver Abfälle und
reichs Energie in der Helmholtz-Gemeinschaft stellen sich dieser zum Rückbau kerntechnischer Anlagen“, „Wendelstein 7-X – ein
Herausforderung und entwickeln wissenschaftliche Grundlagen, Hochleistungsbetrieb mit Wolframwand“) befinden sich auf der
technische Lösungen und innovative Konzepte für morgen und Liste der vom Forschungsbereich Energie für die Roadmap For-
übermorgen. schungsinfrastrukturen priorisierten Vorschläge.
Globale Ziele und zukünftige Forschungsschwerpunkte Weiteres strategisches Vorgehen
In Deutschland stehen Forschung, Politik, Wirtschaft und Gesell- Die Forschungsinfrastrukturen der Helmholtz-Zentren leisten einen
schaft vor der Jahrhundertaufgabe, die beschlossene Energiewende wichtigen Beitrag für den gelingenden Übergang zu einem nachhal-
umzusetzen. Um die definierten Ziele bis 2050 zu erreichen – Hal- tigen Energiesystem. Großes Potential liegt in der Nutzung von Sy-
bierung des Primärenergieverbrauchs gegenüber 2008; Erneuerbare nergieeffekten in den Forschungsinfrastrukturen: Effiziente interne
Energien decken mindestens 60 Prozent des Bruttoendenergiever- Abstimmungsprozesse stellen sicher, dass sich die Forschungsinf-
brauchs und 80 Prozent des Stromverbrauchs; die Treibhausgas- rastrukturen der Helmholtz-Zentren in ihrer Ausrichtung optimal er-
emissionen sollen gegenüber 1990 um mindestens 80 Prozent sin- gänzen. Großgeräte können so noch effizienter gemeinsam genutzt
ken – muss das Energiesystem nachhaltig umgebaut werden. Dazu werden. Über die Abstimmung zwischen den Helmholtz-Zentren
bedarf es neuer Technologien für die Nutzung der Primärenergien, hinaus, gewinnt die Zusammenarbeit mit nationalen und internati-
deren Umwandlung, Speicherung, Verteilung und Anwendung. Zu- onalen Partnern zunehmend an Bedeutung. Dies betrifft Universitä-
dem müssen neue Konzepte her, um die Energieeffizienz entlang der ten, außeruniversitäre Forschungseinrichtungen und die Wirtschaft.
gesamten Energiekette drastisch zu verbessern, insbesondere auch Beispielhaft sind die Helmholtz-(Energie)-Allianzen. Ziel des Energie-
im Bereich energieintensiver Nutzungen. Darüberhinaus bleiben For- Forschungsbereichs ist es, strategisch wichtige und komplementäre
schungsanstrengungen für den sicheren Umgang mit radioaktiven Forschungsinfrastrukturen einzurichten und auszubauen.
Abfällen unverzichtbar. Die Forschung zur Kernfusion hält die Option Dieses Ziel spiegelt sich auch in unseren Aktivitäten im Zusam-
offen, in fernerer Zukunft von dieser Energiequelle zu profitieren. menhang mit dem Strategic Energy Technology (SET)-Plan der
Die Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt die Ziele der Energiewende Europäischen Kommission und in der European Energy Research
nachdrücklich und bündelt hierfür ihre wissenschaftliche Kompe- Alliance (EERA) wider. Ein ebenso wichtiges strategisches Ziel des
tenz und Exzellenz auch im Verbund mit anderen Wissenschaftsein- Forschungsbereichs ist die Ausbildung exzellenter Nachwuchswis-
richtungen, um sie voranzutreiben. Die großen wissenschaftlichen senschaftler. Die intensive Vernetzung mit Hochschulen ermöglicht
Herausforderungen für das Energiesystem der Zukunft sind in den die Nutzung der Forschungsinfrastrukturen der Helmholtz-Zentren
Topics der sieben Programme der dritten Programmorientierten För- in der Lehre – beispielsweise im Rahmen von universitären Studi-
derung des Forschungsbereichs Energie abgebildet. engängen, was für die wissenschaftliche Nachwuchsförderung ein-
zigartige Möglichkeiten bietet.
Einordnung der geplanten Forschungsinfrastrukturen
in die Ziele und Perspektiven des Forschungsbereichs Am Forschungsbereich Energie beteiligte Zentren:
sowie in die vorhandene Infrastrukturlandschaft • Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Kontinuierliche Arbeits-, Kommunikations- und „Foresight“-Prozes- • Forschungszentrum Jülich
se sorgen dafür, dass neue wissenschaftliche Herausforderungen • Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie
frühzeitig erkannt und systematisch in Forschungsthemen umge- • Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
setzt werden. In einem abgestimmten Verfahren und auf das engste • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ
verzahnt mit der thematischen Ausrichtung der Forschungsaktivitä- • Helmholtz-Zentrum Potsdam
ten, werden Investitionsvorhaben zur Einrichtung oder zum Ausbau Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
der Forschungsinfrastrukturen (z. B. strategische Ausbauinvestiti- • Karlsruher Institut für Technologie
onen) projektiert und beantragt. Diese Ausrichtung der geplanten • Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
10Energie
Das Diagramm zeigt die Forschungsinfrastrukturen und deren Bauphase / Inbetriebnahme. Die Größe der Kreise entspricht der Gesamtinvestition.
Abkürzungen
GeoLaB – Geowissenschaftliches Untertagelaboratorium und internationale Forschungsplattform
High Power Grid Lab – Hochleistungslabor elektrische Netze und Netzbetriebsmittel
HOVER – Helmholtz Forschungs- und Versuchsplattform zur Entsorgung radioaktiver Abfälle und zum Rückbau kerntechnischer Anlagen
W7X HiPoWer – W7X HiPoWer: Wendelstein 7-X Hochleistungsbetrieb mit Wolframwand
11GEOLAB – GEOWISSENSCHAFTLICHES UNTERTAGELABORA-
Energie
TORIUM UND INTERNATIONALE FORSCHUNGSPLATTFORM
Tiefe geothermische Reservoire besitzen weltweit ein immenses,
bisher nicht annähernd ausgeschöpftes energetisches Potential für Daten und Zahlen
ein nachhaltiges Energiesystem der Zukunft. Eine Schlüsselrolle
für die effiziente und sichere Nutzung der meist unkonventionellen Zeitplan:
geothermischen Systeme (EGS) zur Wärmeversorgung oder Strom- • Bau: 2018 bis 2021
erzeugung nimmt die Entwicklung umweltgerechter Technologien • Betrieb: mind. 5 jahre
zur Reservoir-Entwicklung ein. Diese Herausforderung greift Geo-
LaB auf: In einem einzigartigen Untertagelaboratorium im geklüf- Geschätzte Kosten:
teten kristallinen Gestein sollen die im Reservoir ablaufenden Pro- • Vorbereitungs-/Planungskosten: 8 Mio. Euro
zesse grundlegend untersucht werden. Mit der internationalen und • Investitionskosten: 40 Mio. Euro insgesamt, getragen von Helmholtz
transdisziplinären Forschungsplattform bietet GeoLaB erstmalig • Betriebskosten zum Betreiben der FIS: 0,75 Mio. Euro pro Jahr
spezifische experimentelle Rahmenbedingungen für die Geother- • Rückbaukosten: 1 Mio. Euro
mieforschung und angrenzende Forschungsbereiche.
Internationale Dimension:
Wissenschaftlicher Hintergrund Mit GeoLaB wird die Spitzenstellung Europas in der EGS-Technologie-
Für Prognosen und eine verbesserte Steuerung des Systemver- entwicklung verteidigt und ausgebaut. Eine einzigartige, repräsen-
haltens fehlen grundlegende Konstitutivgesetze zur Beschreibung tative Plattform für Spitzenforschung auf internationaler Ebene wird
der gekoppelten thermisch-hydraulisch-mechanisch-chemischen geschaffen.
(THMC) Prozesse im geklüfteten Kristallin bei hohen Fließraten.
GeoLaB adressiert deshalb grundlegende Fragestellungen in Hoch- Rolle des Zentrums/der Zentren:
fluss-Experimenten (CHFE – Controlled High Flow Experiments). Die drei Zentren KIT (Koordination), GFZ und UFZ konzipieren GeoLaB
Die Weiterentwicklung numerischer Modelle, ihre Parametrisierung und werden mit Unterstützung eines internationalen Advisory Boards
und Validierung werden ermöglicht. GeoLaB eröffnet auch anderen und einer technischen Leitung eine offene Forschungsplattform
geo-, umwelt-, ingenieurs- und materialwissenschaftlichen Diszipli- bieten.
nen einmalige Forschungsmöglichkeiten.
Weitere Informationen:
Nutzenperspektive www.geolab.kit.edu
Mit systematischer Forschung soll die Grundlage geschaffen wer-
den für die dringend erforderliche Weiterentwicklung von Techno-
logien, die eine effektive Reservoir-Entwicklung, Minimierung der
Umwelteinflüsse und zuverlässige Qualitätssicherung ermöglichen.
Spitzenforschung und die Einbindung von Industrieunternehmen
bilden dabei nicht nur ein fruchtbares Klima für Innovationen, son-
dern bieten auch einmalige Rahmenbedingungen für die Lehre.
Transparente Forschung soll zudem einen Beitrag dazu leisten das
Vertrauen der Gesellschaft in die Geothermie als grundlastfähige
erneuerbare Energiequelle zu gewinnen.
12LIVING LAB ENERGY CAMPUS (LLEC)
Energie
Die Optimierung des zukünftigen Energiesystems hin zu dezentra- Nutzenperspektive
len und zeitlich variableren Erzeugungs- und -verbrauchsstruktu- Im LLEC werden anhand eines typischen Modellsystems mit
ren erfordert das Verständnis der dynamischen und systemtech- Mischnutzung und einer Kombination verschiedener Umwandlungs-
nischen Zusammenhänge. Das Energiesystem des Campus Jülich und Speichertechnologien Instrumente für das Systemdesign, die
befindet sich derzeit im Umbau zu einem „intelligenten“ dezentra- Optimierung und den dynamischen Betrieb von integrierten, öko-
len Energiesystem, indem die Versorgung mit Strom, Wasser, Gas, nomischen und nutzerfreundlichen dezentralen Energiesystemen
Wärme und Kälte dynamisch mit dem Management insbesondere erarbeitet. Die im Rahmen des Living Lab zu entwickelnden Modellie-
der Verbrauchsseite verknüpft wird. Der forschungsseitige Aus- rungs- und Optimierungswerkzeuge sollen in Folge auf andere regio-
bau zum „Living Lab Energy Campus“ (LLEC) mittels umfassen- nale Energiesysteme Anwendung finden. Sie versetzen Betreiber und
der Instrumentierung und Implementierung einer Datenerfas- Industrie in die Lage, energieoptimierte und kosteneffiziente Produkte
sungs- und Steuerungseinrichtung sowie unter Einbeziehung von und Dienstleistungen für lokale Versorgungsstrukturen zu entwickeln
Demonstrationseinheiten bietet eine Forschungsinfrastruktur für und einzusetzen. Die Einbindung der verschiedenen Akteurs-Perspek-
Echtzeitanalyse, Auslegung und Prozessoptimierung von dezent- tiven wird über den Jülicher ZukunftsCampus als richtungsweisende
ralen Energiesystemen. Als „Blaupause“ für lokale Quartiere und Kommunikationsplattform gewährleistet. Auf Helmholtz-Ebene bildet
regionale Systemknoten dient sie im Wechselspiel mit der System- das LLEC eine komplementäre Einrichtung zum Energy Lab 2.0.
simulation der nachhaltigen und resilienten Entwicklung eines de-
zentralen Gesamtsystems.
Daten und Zahlen
Wissenschaftlicher Hintergrund
Die derzeit vorhandenen Simulationswerkzeuge können das zu- Zeitplan:
künftige Energiesystem mit einer Vielzahl von dezentralen, zeit- • Bau: 2017 bis 2019 (Phase I: Installation der Basiskonfiguration,
lich variablen Strukturelementen nicht in hinreichender Auflösung Vernetzung mit Energy Lab 2.0, KIT)
abbilden. Mithilfe der hochinstrumentierten Infrastruktur des • Betrieb: 6 Jahre (Phase II: Aufnahme des Vollbetriebs)
Living Lab werden Datennahme und -verarbeitung ermöglicht,
Geschätzte Kosten:
welche die Echtzeitanalyse, -kontrolle und Zustandsoptimierung
• Vorbereitungs-/Planungskosten: 1,8 Mio. Euro
des Jülicher Energy Campus erlauben. Die Entwicklung dynami-
• Investitionskosten: 18 Mio. Euro insgesamt, getragen von Helmholtz
scher Modelle für dezentrale Systeme unter Berücksichtigung der
• Betriebskosten: 1,2 Mio. Euro pro Jahr
verschiedenen Prozesse (Umwandlung, Speicherung, Verteilung
und effiziente Nutzung) und Netzebenen wird durch die reale Internationale Dimension:
Erprobung im LLEC wesentlich befördert werden. Implementiert LLEC hat Pilotfunktion für Kernthemen des Forschungsfeldes „Smart Cities“.
werden außerdem räumliche Schnittstellen zur überregionalen
Einbindung sowie die Anbindung an andere systemrelevante Pa- Rolle des Zentrums:
rameter (z.B. meteorologische Daten). Als Ergebnis soll ein Ins- Das LLEC wird als Forschungsmodul an das zukünftige Energieversor-
trument zur Verfügung stehen, das eine multikriterielle Analyse gungskonzept des Forschungszentrum Jülich angebunden. Wissen-
und Optimierung des Betriebs in Echtzeit unter Berücksichtigung schaftlich kooperiert Jülich mit den Partnern der RWTH Aachen im
ökonomischer Randbedingungen und des Nutzerverhaltens er- Rahmen von JARA und mit KIT.
möglicht.
Umwandlung Verteilung
Echtzeit -
- Datenerfassung
- Steuerung
- Optimierung
Speicherung Nutzung
13HELMHOLTZ FORSCHUNGS- UND VERSUCHSPLATTFORM
Energie
ZUR ENTSORGUNG RADIOAKTIVER ABFÄLLE UND ZUM
RÜCKBAU KERNTECHNISCHER ANLAGEN (HOVER)
Die für den sicheren Rückbau kerntechnischer Anlagen und die si-
chere Entsorgung radioaktiver Abfälle notwendigen FuE-Arbeiten Daten und Zahlen
erfordern großmaßstäbliche Versuchseinrichtungen zur Untersu-
chung der gesamten Prozesskette der nuklearen Entsorgung. Die Zeitplan:
Versuchsplattform HOVER ermöglicht fortgeschrittene Untersu- • Bau: 2017 bis 2020
chungen zum Verhalten der Abfallformen in einem Zwischen- bzw. • Betrieb: mind. 30 Jahre
Endlager sowie die detaillierte Analyse von Radionuklidausbrei-
tungsprozessen. Zudem werden neuartige Rückbautechnologien Geschätzte Kosten:
entwickelt und erprobt. Dazu werden die Kompetenzen an den • Vorbereitungs-/Planungskosten: 3 Mio. Euro
drei Standorten FZJ, HZDR und KIT zusammengeführt und die For- • Investitionskosten: 38 Mio. Euro insgesamt, getragen von Helmholtz
schungsinhalte dieser dezentral angelegten Plattform zwischen den • Betriebskosten: 3 Mio. Euro pro Jahr
Zentren abgestimmt.
Internationale Dimension:
Wissenschaftlicher Hintergrund Durch die bereits bestehenden Kooperationen wird HOVER voll-
Das NUSAFE Topic Nukleare Entsorgung und die Plattform HOVER ständig in die nationale und internationale Forschungslandschaft
fokussieren auf drei Aspekte: integriert sein.
• Detaillierte Untersuchung des Verhaltens der radioaktiven Ab-
fälle mit Hilfe neuester analytischer, spektroskopischer und Rolle des Zentrums/der Zentren:
theoretischer Methoden Die Zentren FZJ, HZDR und KIT werden mit HOVER aktiv die Architek-
• Untersuchung des makroskopischen Radionuklidverhaltens im tenrolle für eine Forschungsplattform zur nuklearen Entsorgung und
Endlagersystem im Technikumsmaßstab („Upscaling“). zum Rückbau übernehmen. Die Kompetenzen der drei involvierten
• Neuartige Rückbautechnologien werden unter Berücksichti- Zentren im Bereich Materialwissenschaften (FZJ), des Rückbaus und
gung der Anforderungen des Strahlenschutzes entwickelt und der radiochemischen Aspekte der Geosphäre (KIT) und der Biosphäre
erprobt (HZDR) werden synergistisch genutzt.
Nutzenperspektive Weitere Informationen:
HOVER wird eine in Deutschland und international einzigartige wis- Helmholtz wird mit HOVER auf dem Gebiet der nuklearen Entsorgung
senschaftliche Forschungsplattform für die nukleare Entsorgung und des Rückbaus der kompetente Ansprechpartner zu diesen Frage-
einschließlich des Rückbaus darstellen. HOVER wird maßgebliche stellungen für Ministerien und Behörden (BMBF, BMWi, BfS), und für
Beiträge zur sicheren und wissenschaftlich fundierten nuklearen Betreiber und Industrie sein.
Entsorgung und zum Rückbau liefern. Darüber hinaus wird HOVER
einen herausragenden Platz in Lehre und Ausbildung einnehmen
und so langfristig zur Sicherstellung der Kompetenz beitragen. Dies
erfolgt in enger Abstimmung und Kooperation mit Universitäten,
Behörden und der Industrie.
14HIGH POWER GRID LAB – HOCHLEISTUNGSLABOR
Energie
ELEKTRISCHE NETZE UND NETZBETRIEBSMITTEL
Der Aus- und Umbau des elektrischen Energienetzes in Deutschland Nutzenperspektive
im Zuge der Energiewende erfordert u.a. die Erforschung der Kopplung Das HIGH POWER GRID LAB ist eine wesentliche Infrastruktur bei
verschiedenartiger Energienetze und die Entwicklung neuer Betriebs- der Entwicklung neuer Betriebsmittel und Netzstrukturen und un-
mittel und Netzstrukturen. Der Netzumbau in Verbindung mit neuar- terstützt die Forschung bei Netzbetreibern und Betriebsmittelher-
tigen Betriebsmitteln macht die Untersuchung der Auswirkungen von stellern.
Fehlern und Defekten von Betriebsmitteln auf die Systemeigenschaf-
ten des Netzes und umgekehrt notwendig. Hierzu sind Stress-Tests
im Realbetrieb ein geeignetes Werkzeug. Das HIGH POWER GRID Daten und Zahlen
LAB verbindet als Hardware-in-the-Loop-System die Echtzeitsimula-
tion des Netzes als Teil des Energie Lab 2.0 mit der Untersuchung Zeitplan:
von Netzbetriebsmitteln im Realbetrieb durch eine entsprechende • Bau: 2017 bis 2021
Leistungseinspeisung, die auch den fehlerbehafteten Betrieb eines • Betrieb: min. 20 Jahre
Netzbetriebsmittels erlaubt. Diese Leistungseinspeisung, z. B. durch
kurzschlussfähige und mit Schwungmassen versehene Generatoren, Geschätzte Kosten:
ist das Herzstück des HIGH POWER GRID LAB und verhindert Rück- • Vorbereitungs-/Planungskosten: 2 Mio. Euro
wirkungen der Stress-Tests an Betriebsmitteln auf das speisende • Investitionskosten: 40 Mio. Euro insgesamt, getragen von Helmholtz
Energienetz. Das HIGH POWER GRID LAB erlaubt die Untersuchung. • Betriebskosten: 2 Mio. Euro pro Jahr
• Rückbaukosten: 3 Mio. Euro
Wissenschaftlicher Hintergrund
Das wissenschaftliche Ziel des HIGH POWER GRID LAB ist die Er- Internationale Dimension:
forschung des Systemverhaltens neuartiger Netzkomponenten, Das HIGH POWER GRID LAB wird hinsichtlich seiner Leistungspara-
z. B. Stromrichter von HVDC-Übertragungssystemen oder supra- meter eine einzigartige Forschungsinfrastruktur in Europa darstellen.
leitende Transformatoren und das Systemverhalten des Netzes bei
Fehlern von Betriebsmitteln. Letztlich geht es um die Erforschung Rolle des Zentrums/der Zentren:
von Regelstrategien zur Beherrschung kritischer Situationen im KIT ist unter Beteiligung der am Energy Lab 2.0 beteiligten Helmholtz-
Netz. Im elektrischen Energienetz sind beträchtliche Energiemen- Zentren Standort und Betreiber des HIGH POWER GRID LAB.
gen verfügbar, die auch im Fehlerfall beherrscht werden müssen,
sodass materielle Zerstörungen und Personen- oder Umweltschä-
den sicher vermieden werden. Derartige Stress-Untersuchungen
tragen wesentlich zur Förderung der öffentlichen Akzeptanz ei-
ner Technologie bei. Grundsätzlich existieren in Europa eine Zahl
von Leistungsprüffeldern; im Unterschied zu dem geplanten HIGH
POWER GRID LAB in Verbindung mit dem Energy Lab 2.0 können
in diesen Leistungsprüffeldern jedoch keine Hardware-in-the-Loop
Netzsimulationen erfolgen. Helmholtz würde durch die Ergänzung
des Energy Lab 2.0 um das HIGH POWER GRID LAB über eine min-
destens europaweit einzigartige Forschungsinfrastruktur verfügen.
15W7X HIPOWER: WENDELSTEIN 7-X HOCHLEISTUNGS
Energie
BETRIEB MIT WOLFRAMWAND
Die internationale Fusionsforschung verfolgt zwei Konzepte, ein Nutzenperspektive
Hochtemperaturplasma magnetisch einzuschließen. Mit dem Toka- Die bisher vorgesehene Komplettierung von W7-X (bis 2019) stellt
mak soll ein erstes brennendes Fusionsplasma realisiert werden. den ersten fundamentalen Meilenstein für die Erzeugung eines sta-
Der Stellarator bietet den grundlegenden Vorteil eines stationären tionären Hochleistungsplasmas dar. Das beschriebene Vorhaben
Plasmaeinschlusses mit deutlich verbesserten Stabilitätseigen- ist der nächste logische Schritt, um das Stellaratorprinzip in Rich-
schaften. Die Aufgabe von Wendelstein 7-X (W7-X) als weltweit tung eines Kraftwerkskonzepts fortzuentwickeln. W7-X ist dabei
modernstes supraleitendes Stellaratorexperiment ist der Nachweis das weltweit einzige Stellaratorexperiment, in dem hohe Wärme-
der Kraftwerkstauglichkeit des Stellaratorkonzepts. W7-X wird mo- flüsse aus dem Plasma zusammen mit kraftwerksrelevanten Wand-
mentan in Betrieb genommen. Die schrittweise Komplettierung bis materialien wie Wolfram getestet werden können.
2019 bereitet W7-X auf den stationären Betrieb vor. Dies umfasst
eine Heizleistung von bis zu 10 MW und aktiv gekühlte Wandkompo-
nenten, sowie einen Divertor, ausgelegt für stationäre Wärmeflüsse Daten und Zahlen
bis 10 MW/m2. Eine deutliche Erweiterung der Heizleistung erlaubt
die Wärmeabfuhr aus dem Plasma zu maximieren und damit in Be- Zeitplan:
reiche vorzudringen, wie sie in einem Fusionskraftwerk erwartet • Bau: 2019 bis 2025
werden. Als weiteres zentrales Element ist vorgesehen, die kohlen- • Betrieb: 20 Jahre ab 2021
stoffbedeckten Wandkomponenten teilweise durch Wolframkompo-
nenten zu ersetzen. Geschätzte Kosten:
• Vorbereitungs-/Planungskosten: 3 Mio. Euro
• Investitionskosten: 38 Mio. Euro insgesamt, getragen von Helmholtz
Wissenschaftlicher Hintergrund
• Betriebskosten zum Betreiben der FIS: Werden vom IPP im
Im Zusammenspiel von Plasmawand-Wechselwirkung und Plas- Rahmen der Betriebskosten von W7-X getragen
matransport ist Kohlenstoff als Wandmaterial sehr gut verstan- • Rückbaukosten: Rückbau findet im Rahmen des Rückbaus
den. Deshalb werden die hochbelasteten Wandkomponenten von von W7-X statt
W7-X zunächst mit Kohlenstoff bedeckt sein. Für ein Kraftwerk ist
Kohlenstoff jedoch nicht geeignet. Geplant ist deshalb, die Kohlen- Internationale Dimension:
stoffoberflächen durch Wolfram zu ersetzen. W7-X ist fester Bestandteil der europäischen „Roadmap to the
Für W7-X wurde die weltweit erste Multimegawatt Elektronen-Zyk- Realization of Fusion Energy”. Internationale Partner sind am Aufbau
lotron-Resonanz-Heizung (ECRH) entwickelt, die für Dauerstrichbe- und Betrieb von W7-X beteiligt. Das europäische Fusionsprogramm
beteiligt sich an den Betriebskosten.
trieb ausgelegt ist. Auch in einem Fusionskraftwerk wird die ECRH
eine der wesentlichen Heizmethoden sein. Eine signifikante Leis-
Rolle des Zentrums/der Zentren:
tungserhöhung an W7-X kann durch Einführung leistungsstärkerer
Für dieses Forschungsvorhaben sind IPP, KIT und FZJ weltweit füh-
Röhren erreicht werden. rend. Wolfram als Wandmaterial wurde erstmals am IPP eingeführt.
Zusammengenommen erlauben die beiden Vorhaben, die Be FZJ und KIT arbeiten intensiv an seiner Weiterentwicklung. Die ECRH
dingungen für die Untersuchung der Plasmawand-Wechselwirkung für W7-X ist eine gemeinsame Entwicklung des KIT und IPP (zusam-
denen eines Fusionskraftwerks im Dauerstrichbetrieb deutlich wei- men mit der Universität Stuttgart).
ter anzunähern.
16FORSCHUNGSBEREICH
ERDE UND UMWELT
Erde und Umwelt
Der Forschungsbereich Erde und Umwelt untersucht – mit Blick themen definiert und wird die Forschungsinfrastruktur als eine
auf die Erhaltung und nachhaltige Entwicklung unserer natürlichen Komponente der Nationalen Plattform Zukunftsstadt betreiben.
Lebensgrundlagen – die Funktionsweisen des Systems Erde sowie Die Satellitenmission ATMO-SAT wird durch die Beobachtung drei-
die Wechselwirkungen mit der Gesellschaft. Im Fokus stehen die dimensionaler Verteilungen atmosphärischer Temperaturen und
Langzeiterfassung lokaler, regionaler und globaler Veränderungen, ausgesuchter Spurengase mit einer bisher unerreichten räumlichen
das Verständnis der sie bewirkenden Prozesse sowie die Erarbei- Auflösung wichtige Beiträge zum Einfluss der natürlichen Variabi-
tung von Konzepten und Handlungsoptionen für eine nachhaltige lität der Atmosphäre auf das regionale Klima und Wetter liefern.
Bewirtschaftung des Erdsystems und für einen wirksamen Schutz Das Nationale Wolkenforschungszentrum AIDA-Grande untersucht
vor Naturgefahren. den menschlichen Einfluss auf die Wolken, da Wolken und damit
auch das Klima und der Niederschlag durch die anthropogene
Globale Ziele und zukünftige Forschungsschwerpunkte Emission von Aerosolen und deren Vorläufergasen stark beein-
Vor dem Hintergrund einer prognostizierten Erdbevölkerung von flusst werden. AIDA-Grande wird erstmals eine Quantifizierung und
mehr als 9 Milliarden Menschen im Jahre 2050, ist die integrierte Bewertung des gesamten Aerosoleinflusses auf Wolken und Klima
Erforschung des Planeten Erde mit seinen Landgebieten, Ozeanen ermöglichen.
und Polarregionen zentral, um künftige Entwicklungen einschätzen Tandem-L als Forschungsinfrastruktur des Forschungsbereichs
und steuern zu können. Erdsystemforschung ist daher auf das engs- Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr besitzt auch für den Forschungs-
te mit den Fragen der menschlichen Daseinsfürsorge verknüpft bereich Erde und Umwelt sehr hohe Relevanz und wird daher vom
und muss nicht nur die Probleme einer sich stetig verändernden Forschungsbereich unterstützt.
Umwelt berücksichtigen, sondern auch verlässliche Entscheidungs-
grundlagen und Handlungsoptionen für politisch-ökonomische Weiteres strategisches Vorgehen
Weichenstellungen liefern. Gefordert sind hochgradig integrierte Der Forschungsbereich Erde und Umwelt wird die Herausforderung
wissenschaftliche Ansätze, die einerseits die verschiedenen Kom- der globalen, integrierten Erdbeobachtung hinsichtlich Synthese,
ponenten des Erdsystems miteinander verknüpfen und anderseits Modellierung und Anwendung in der Erdsystemforschung angehen.
die naturwissenschaftliche Grundlagenforschung mit den gesell- Die umfangreichen, interdisziplinären Kompetenzen der beteiligten
schaftlichen Anforderungen verbinden – auch durch eine verstärk- Zentren auf fast allen Gebieten der Erdsystemforschung werden
te Integration von Kompetenzen aus relevanten Nachbardisziplinen innerhalb des nächsten Jahrzehnts zu einer weltweit einmaligen
der Technik-, Sozial- und Geisteswissenschaften. Ferner gilt es, Bündelung fundierter Expertise ausgebaut werden. Dadurch soll
bestehende Vernetzungen mit anderen Forschungsbereichen ins- das zentrenübergreifende, strategische und fachliche Zusammen-
besondere in der Energieforschung, der Bioökonomie und der Ge- wirken so gestärkt werden, dass der Forschungsbereich national
sundheitsforschung auszubauen. und international als eine Einheit mit regionalen und thematischen
Schwerpunkten wahrgenommen wird. Um dies zu erreichen, wird
Einordnung der geplanten Forschungsinfrastrukturen eine verstärkte strategische und inhaltliche Ausrichtung der For-
in die Ziele und Perspektiven des Forschungsbereichs schungszentren angestrebt – verbunden mit einer noch engeren
sowie in die vorhandene Infrastrukturlandschaft strategischen Kooperation mit anderen wichtigen nationalen Ak-
MOSES – ein mobiles, modulares und vernetztes Mess-, Beobach- teuren.
tungs- und Analysesystem, an dem alle Zentren des Forschungs-
bereichs beteiligt sind – erfasst zukünftig Veränderungen des
Erdsystems auf verschiedenen Raum- und Zeitskalen. Zu den über-
geordneten Forschungszielen der Initiative gehören die komparti- Am Forschungsbereich Erde und Umwelt beteiligte
mentübergreifende Modellierung des Erdsystems, die Erfassung Zentren:
und Quantifizierung des Umweltwandels sowie die Entwicklung von • Alfred-Wegener-Institut
Anpassungs- und Vermeidungsstrategien. Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung
Das Techniklabor Ozean-Eis soll angesichts des beobachteten • Forschungszentrum Jülich
schnellen Wandels der Polarregionen helfen, die vorhandenen Be- • GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel
obachtungssysteme im Ozean und an den Polen zu verstärken. Mit • Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung – UFZ
dem Techniklabor soll die Entwicklung von Sensoren, autonomen • Helmholtz-Zentrum Geesthacht
Messgeräten und Datenübertragungssystemen zum Einsatz in der Zentrum für Material- und Küstenforschung
Tiefsee und im eisbedeckten Ozean ermöglicht werden. • Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum
UrbENO wird sich langfristig damit befassen, wie sich die Entwick- für Gesundheit und Umwelt
lung der Städte auf den Klimawandel und dessen Rückwirkung auf • Helmholtz-Zentrum Potsdam
urbane Umweltbedingungen auswirken. Der Forschungsbereich Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ
Erde und Umwelt hat die Stadtforschung als eines seiner Zukunfts- • Karlsruher Institut für Technologie
17Erde und Umwelt
Das Diagramm zeigt die Forschungsinfrastrukturen und deren Bauphase / Inbetriebnahme. Die Größe der Kreise entspricht der Gesamtinvestition.
Abkürzungen
MOSES – Modular Observation Solutions for Earth Systems (inkl. Drohnenschwarm)
AIDA-Grande – Nationales Wolkenforschungszentrum AIDA-Grande
Techniklabor Ozean-Eis – Techniklabor für die Entwicklung von Ozean- und Eisbeobachtungssystemen
UrbENO – Urban Environmental Observatories
18MOSES / MODULAR OBSERVATION SOLUTIONS FOR
EARTH SYSTEMS (INKL. DROHNENSCHWARM)
Erde und Umwelt
Unsere Umwelt verändert sich in manchen Bereichen (Klima, Land- ge Maßnahmen negative Langfristfolgen für Erd- und Ökosysteme
oberflächen, Ozeane) schneller als erwartet. Dies geschieht nicht zumindest verringert werden könnten. Das mobile und modulare
nur kontinuierlich sondern auch durch kurzfristige, dynamische Konzept ermöglicht den nationalen wie internationalen Einsatz und
Störungen. Das Beobachtungssystem MOSES zielt darauf ab, die bildet so eine Plattform für vielfältige Kooperationen. Die Inno
Bedeutung der meist kleinskaligen Dynamik für den langfristigen vation der Initiative liegt in der Kopplung dynamischer und lang-
Umweltwandel zu erfassen. Das Beobachtungskonzept basiert auf fristiger Beobachtungen sowie in ihrem konsequent Kompartiment-
dem Zusammenspiel von ereignisgesteuert, kurzfristig einsetzba- übergreifenden Ansatz.
ren Messsystemen und langfristig ausgelegten Monitoring-Pro-
grammen. Modular kombinierbare Sensorsysteme können ereignis-
und standortspezifisch zu Multiparameter-Netzwerken bis hin zu Daten und Zahlen
Untersuchungsplattformen zusammengestellt werden. Bestehende
nationale wie internationale Monitoring-Programme liefern Daten Zeitplan:
zum Langfristverhalten. Zunächst soll das Konzept in Observatori- • Bau: Phase I: 2018 bis 2020
en des Forschungsbereichs umgesetzt und später über den BMBF Phase II: 2020 bis 2024
Roadmap-Prozess erweitert werden. • Betrieb: 15 Jahre
Wissenschaftlicher Hintergrund Geschätzte Kosten:
Prognosen zum Ausmaß des Umweltwandels sind weiterhin sehr • Vorbereitungs-/Planungskosten: 4 Mio. Euro
unsicher. Bedeutende Unsicherheitsfaktoren sind die Auswirkun- • Investitionskosten: 125 Mio. Euro insgesamt, davon 45 Mio. Euro
gen dynamischer Ereignisse auf die langfristige Entwicklung von Helmholtz-Anteil
Erd-und Ökosystemen. Es gibt zunehmend Hinweise, dass klima • Betriebskosten: 5 Mio. Euro pro Jahr
relevante Kreisläufe maßgeblich durch z.B. extreme Ereignisse ge- • Rückbaukosten: kaum erforderlich
steuert werden. Bestehenden Beobachtungssystemen fehlen meis-
tens die erforderliche Auflösung und die Mobilität für einen Einsatz Internationale Dimension
zur rechten Zeit am rechten Ort. Die Folgen solcher Störungen im MOSES wird in verschiedene internationale Netzwerke als komple-
Sinne einer Wirkungskette lassen sich jedoch nur durch eine Ein- mentäres Messsystem eingebunden, z.B. ICOS, IAGOS, EU-ARGOS,
bindung dieser Beobachtungen in langfristige Erd-Observationssys- LTER. Eine enge Kooperation mit GEOSS und COPERNICUS ist
teme beurteilen. geplant.
Nutzenperspektive Rolle des Zentrums/der Zentren:
Die Initiative adressiert einen wichtigen Unsicherheitsfaktor in re- Die beteiligten Zentren entwickeln, bauen und betreiben die Infra-
gionalen und globalen Erdsystem-Modellen. Eine bessere Kenntnis struktur. Es wird ein Zugangsverfahren für nationale/internationale
der Auswirkungen dynamischer Störungen ist die Basis für Manage- Nutzer zu Messsystemen und Daten etabliert.
mentstrategien, mit denen durch relativ kurzfristige und kleinräumi-
19ATMO-SAT
Erde und Umwelt
ATMO-SAT dient der Quantifizierung des Einflusses atmosphäri-
scher Variabilität auf das regionale Klima und Wetter. Ziel ist die Daten und Zahlen
Verbesserung von Klimaprojektionen und längerfristigen Wetter-
vorhersagen auf der Grundlage eines verbesserten Verständnisses Zeitplan
der zugrundeliegenden Prozesse. Dazu werden globale Satelliten- • Bau: 2017 bis 2022
beobachtungen der Zusammensetzung (z. B. Wasserdampf) und • Betrieb: 5 Jahre
Temperaturverteilungen der Atmosphäre mit bisher unerreichter
3D Auflösung benötigt. Die besonderen Anforderungen werden Geschätzte Kosten:
nur durch die bildgebende Infrarot-Horizontsondierung erfüllt, • Vorbereitungs-/Planungskosten:
die von FZJ und KIT entwickelt wurde. Ein Demonstrator (GLORIA) • Investitionskosten: 95 Mio. Euro insgesamt, davon 45 Mio. Euro
wurde bereits erfolgreich auf dem Forschungsflugzeug HALO ein- Helmholtz-Anteil (nur Instrument); hinzu kommen 50 Mio. Euro für
gesetzt. die Missionsdurchführung (Rakete, Satellit, Bodensegment), im
Idealfall im Rahmen einer nationalen Erderkundungsmission
Wissenschaftlicher Hintergrund • Die Betriebskosten sind zum größten Teil in den Kosten
Die Variabilität des Erdklimas hängt signifikant von physikalischen der Missionsdurchführung enthalten; hinzu kommen je
und chemischen Prozessen in der Atmosphäre ab. Änderungen der 0.6 Mio. Euro pro Jahr für FZJ und KIT
Zusammensetzung der oberen Troposphäre und unteren Strato- • Rückbaukosten: entfällt
sphäre (z.B. Wasserdampf und Eiswolken) wirken sich besonders
stark auf die atmosphärische Strahlungsbilanz aus. Das regiona- Internationale Dimension:
le Klima und Wetter (NAO, ENSO) wird zudem von unzureichend Die Daten werden im Rahmen internationaler Programme wie WCRP,
verstandenen Kopplungen zwischen Stratosphäre und Troposphä- IPCC und WMO international genutzt. Sie füllen wichtige Lücken bei
re beeinflusst (Transport und Dynamik). ATMO-SAT liefert globale GCOS (Global Climate Observing System) und „Copernicus Atmos-
Messungen, die für ein quantitatives Verständnis der zugrundelie- phere Monitoring Service (CAMS)“. Eine wichtige Anwendung ist
genden Prozesse benötigt werden. auch die numerische Wettervorhersage (z. B. ECMWF).
Nutzenperspektive Rolle des Zentrums/der Zentren:
Der globale Wandel ist eine der großen Herausforderungen der KIT und FZJ besitzen eine Architektenrolle bei Spezifikation und
Menschheit. Im Perspektivpapier des Deutschen Klimakonsorti- Design des Hauptinstruments sowie bei Datenverarbeitung und Pro-
ums (DKK) wird festgestellt, dass erheblicher Forschungsbedarf in zessstudien. GFZ Potsdam ist führend bei GPS RO Beobachtungen,
wesentlichen Anwendungsfeldern von ATMO-SAT besteht, z. B. bei welche die Infrarot-Messungen komplementär ergänzen. DLR-IPA ist
„Luftqualität und Klimawandel“, „Wasserkreislauf in einer wärmeren federführend bei Studien der Rolle der mittleren Atmosphäre fürs
Welt“ und „Verlängerung der Wettervorhersage“. Relevant sind auch Klima. Bevorzugter Partner für die Missionsdurchführung ist das DLR-
Initiativen wie REKLIM (regionale Klimaänderungen) und der BMBF Raumfahrtmanagement (DLR-Rfm).
Schwerpunkt ROMIC (Rolle der mittleren Atmosphäre für das Klima).
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