9 Wissenschaftliche Basis und Grundlagenforschung

9.1 Grundlagenforschung

Auf den Ergebnissen der Grundlagenforschung baut nicht nur der wissenschaftliche Erkenntnisgewinn, sondern auch der wissenschaftlich-technologische Fortschritt auf: Sie ermöglicht langfristig die Entwicklung von innovativen Anwendungen, die wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Nutzen im großem Umfang mit sich bringen. Sie stärkt die akademische Ausbildung und erweitert unser Verständnis von Natur, Welt und Gesellschaft und bringt Nachhaltigkeit in ihren drei Dimensionen Umwelt, Wirtschaft und Gesellschaft voran. Bund und Länder fördern daher die Grundlagenforschung in besonderem Maße, auch weil ihre meist aufwändigen Projekte elementare Fragen adressieren und langfristig angelegt sind und oft erst mittelbar wirtschaftlich verwertbar sind und daher nur in geringem Umfang vom Wirtschaftssektor mitfinanziert werden.

Eine besondere Stärke des deutschen FuI-Systems zeigt sich darin, dass neben den Hochschulen auch außeruniversitäre Forschungseinrichtungen Grundlagenforschung betreiben. Die Einrichtungen der vier Forschungsorganisationen Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e. V. (MPG), Hermann von Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e. V. (HGF), Wissenschaftsgemeinschaft Gottfried Wilhelm Leibniz e. V. (Leibniz-Gemeinschaft) und die Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. (Fraunhofer) verfügen über teilweise international einzigartige Forschungsinfrastrukturen und Großgeräte. Sie bieten ihren Forscherinnen und Forschern ein exzellentes Forschungsumfeld und schaffen damit die Voraussetzungen für wissenschaftliche Durchbrüche (2.1 Akteure des Forschungs- und Innovationssystems).

© André Wirsig

Einen zentralen Baustein zur Finanzierung der Grundlagenforschung stellt die institutionelle Förderung der außeruniversitären Forschungseinrichtungen durch Bund und Länder dar. Gemeinsam stellen sie mit dem Pakt für Forschung und Innovation (PFI) die langfristige Stärkung der außeruniversitären Forschung sicher. Für die vierte Phase des Pakts (PFI IV) haben Bund und Länder konkrete forschungspolitische Zielstellungen formuliert. Sie heben u. a. die Bedeutung von Freiräumen für neue Fragestellungen und risikoreiche Forschung sowie die Digitalisierung und den Ausbau von Open Data und Open Access hervor. Zudem sollen Forschungsinfrastrukturen gestärkt und ihre Nutzung durch Gast-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler erleichtert werden. Auch sollen darüber hinaus der Ergebnis- und Wissenstransfer in Wirtschaft und Gesellschaft und die Vernetzung innerhalb des FuI-Systems intensiviert sowie die Verbesserung der Forschungsbedingungen vorangetrieben werden. Zusätzlich trägt die Projektförderung des Bundes im Rahmen einer Vielzahl thematischer Fach- und Rahmenprogramme maßgeblich zur Grundlagenforschung bei (2.2 Förderinstrumente des Bundes und der Länder). Als größte Selbstverwaltungsorganisation der Wissenschaft in Deutschland und als Förderin exzellenter, erkenntnisgeleiteter Spitzenforschungsvorhaben wird zudem die Deutsche Forschungsgemeinschaft e. V. (DFG) gemeinsam von Bund und Ländern finanziert.

Mit dem Rahmenprogramm „Erforschung von Universum und Materie (ErUM)“ hat das BMFTR 2017 die strategische Ausrichtung für die naturwissenschaftliche Grundlagenforschung an Großgeräten festgelegt und stellt dafür jährlich mehr als 1,5 Mrd. Euro zur Verfügung. Das Rahmenprogramm stärkt die exzellente Grundlagenforschung in Deutschland als Fundament für die Entwicklung von Zukunftstechnologien. Zusätzlich zu den im Programm gesetzten Schwerpunkten bei der Erforschung von Teilchen, Materie und Universum definiert das BMFTR vier forschungspolitische Handlungsfelder innerhalb von ErUM: die Gestaltung der Großgerätelandschaft, die Förderung des Nachwuchses in den MINT-Fächern Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik, die nationale und internationale Vernetzung sowie die Ermöglichung von Transfer und Partizipation.

Großgeräte erzeugen mit ihren Experimenten nicht nur extrem große und komplexe Datensätze, sondern treiben im Rahmen von deren Analyse und Handhabung Schlüsseltechnologien voran, wie z. B. neue Methoden für Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, von denen auch Wirtschaft und Gesellschaft profitieren. Der Aktionsplan „ErUM-Data – Von Big Data zu Smart Data“ setzt einen strategischen Rahmen und schafft die Voraussetzungen, um das Potenzial von Daten und Digitalisierung für die naturwissenschaftliche Grundlagenforschung stärker zu nutzen. Im Fokus stehen drei Ziele: die Vernetzung relevanter Akteure und Strukturen, der Ausbau digitaler Kompetenzen und die Stärkung von Transfer und Kommunikation. In der Laufzeit des Aktionsplans (2020–2030) sind Fördermaßnahmen in Höhe von insgesamt bis zu 120 Mio. Euro vorgesehen. Für die wirkungsvolle Umsetzung der Maßnahmen des Aktionsplans und die Einbindung der relevanten Akteure wird seit 2021 der ErUM-Data-Hub als zentrale Vernetzungs- und Transferstelle gefördert, mit Fokus auf interdisziplinärer Vernetzung und auf Aus- und Weiterbildung zu Big Data, Deep Learning und Sustainable Computing.

Das Know-how und das kreative Potenzial der Forschenden an den Hochschulen und die herausragenden Forschungsmöglichkeiten an den Forschungsinfrastrukturen zählen zu den wichtigen Faktoren bei der Erforschung von Universum und Materie. Der Aktionsplan „ErUM-Pro“ fördert die Vernetzung beider Seiten und bindet die Hochschulen in die Weiterentwicklung der Forschungsinfrastrukturen ein. Das Programm wirkt damit komplementär zur institutionellen Förderung von Bau und Betrieb der Forschungsinfrastrukturen selbst. Dabei sollen Ideen für innovative Messinstrumente und -methoden an den Großgeräten entwickelt und neue Anwendungen ermöglicht werden. Die Projektförderung im Rahmen des Aktionsplans ist zudem ein Hebel, um den Wissensstandort Deutschland zu stärken und mit den methodischen Neuerungen Zukunftsthemen zu adressieren. Für entsprechende Fördermaßnahmen sind jährlich mehr als 90 Mio. Euro vorgesehen.

© Jean-Claude Winkler / Max-Planck-Institut für biologische Kybernetik

Der Aktionsplan „ErUM-Transfer – Innovationen aus der Grundlagenforschung“ ebnet den Weg für den Transfer von Ergebnissen aus der Forschung an Großgeräten in Wirtschaft und Gesellschaft. Der Aktionsplan bündelt drei zentrale Hebel: Projektförderung, frühzeitige Einbindung aller Stakeholder und Stärkung von Kompetenzen. Dadurch wird die Entwicklung von Wissen, Methoden und Technologien gefördert, die später neue Produkte, Prozesse und Märkte ermöglichen. Um die wirtschaftliche Innovationsbasis zu verbreitern, werden durch ErUM-Transfer auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in die Grundlagenforschung an Großgeräten eingebunden.

9.2 Forschungsinfrastrukturen

Leistungsfähige Forschungsinfrastrukturen (FIS) ermöglichen exzellente Grundlagenforschung, fördern Innovationen und stärken die technologische Souveränität. FIS sind daher eine zentrale Voraussetzung des wissenschaftlichen Fortschritts und nehmen gleichermaßen für die Leistungsfähigkeit, Innovationskraft und internationale Wettbewerbsfähigkeit des Wissenschafts- und Wirtschaftsstandorts Deutschland eine Schlüsselrolle ein. Zu den FIS zählen Instrumente und Großgeräte wie Teilchenbeschleuniger, Photonen-, Ionen- und Neutronenquellen, Großteleskope und astronomische Observatorien ebenso wie Ressourcen, etwa Sammlungen, Stoff- und Datenbanken, Forschungsbibliotheken und informationstechnische Infrastrukturen wie Höchstleistungsrechner. Das Portfolio an Großgeräten wird stetig weiterentwickelt, um Wissenschaft und Industrie Zugang zu leistungsfähigen Analysemethoden und -werkzeugen auf internationalem Spitzenniveau zu ermöglichen.

9.2.1 Forschungsinfrastrukturen in Deutschland

Angesicht ihrer großen Bedeutung im FuI-System Deutschlands fördert die Bundesregierung FIS der Grundlagenforschung, föderierte Dateninfrastrukturen und leistungsfähige Rechenzentren für High-Performance-Computing (HPC). Gemeinsam mit den Ländern fördert der Bund außerdem Forschungsbauten und Großgeräte an Hochschulen (seit 2007) und das Nationale Hochleistungsrechnen (seit 2019). Diese Förderung hat zum Ziel, die infrastrukturellen Voraussetzungen der deutschen Hochschulen für die erfolgreiche Teilnahme am nationalen und internationalen Wettbewerb in der Forschung zu verbessern. In diesem Rahmen stellen Bund und Länder zu jeweils gleichen Teilen jährlich insgesamt bis zu 401 Mio. Euro für Forschungsbauten, für Großgeräte 170 Mio. Euro und für das Nationale Hochleistungsrechnen (NHR) bis zu 62,5 Mio. Euro zur Verfügung.

Aktuell ist Deutschland an weltweit mehr als zwei Dutzend einzigartiger FIS der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung beteiligt. FIS sind komplexe und anspruchsvolle Instrumente oder Serviceeinrichtungen für die Spitzenforschung, die extreme technologische Herausforderungen angehen und daher mit vergleichsweise hohen Planungs-, Bau- und Betriebskosten verbunden sind. Dementsprechend sind die förderpolitischen Strategien und Planungszeiträume meist langfristig, d. h. oft auf mehrere Jahrzehnte, ausgelegt.

Um solche zukünftigen Investitionen forschungspolitisch zu priorisieren, hat das BMFTR das nationale Priorisierungsverfahren für umfangreiche Forschungsinfrastrukturen etabliert. Ziel dieses strategischen Instruments ist es, geplante nationale und internationale FIS nach einem wissenschaftsgeleiteten, offenen, fairen und transparenten Verfahren zu bewerten. Der Prozess gliedert sich in drei Teile: eine wissenschaftsgeleitete Bewertung durch einen vom Wissenschaftsrat mandatierten Ausschuss aus renommierten Gutachtern und Gutachterinnen, eine Bewertung der Planungsreife und Umsetzbarkeit inkl. der Finanz- und Risikoplanung durch ein Gremium mit umfangreicher Erfahrung im Management komplexer Forschungsinfrastrukturen sowie eine Bewertung des Innovations- und Transferpotenzials durch ein Gremium mit vielfältigen Perspektiven aus Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft. Mit dieser Weichenstellung wird eine höhere Planungssicherheit erreicht und die strategische Ausrichtung von Forschung und Forschungsförderung gestärkt.

Der erste FIS-Roadmap-Prozess führte zur Auswahl der FIS ACTRIS-D für Klima- und Atmosphärenforschung, des ER-C-2 am Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen sowie des Leibniz-Zentrums für Photonik in der Infektionsforschung (LPI). 2024 wurde in Nachfolge des FIS-Roadmap-Prozesses ein neues Priorisierungsverfahren für umfangreiche FIS gestartet. Dieses wurde erstmals 2024/2025 durchgeführt, eine erneute Runde ist für 2028 angestrebt. Im ersten Priorisierungsverfahren wurden 32 FIS-Vorhaben bewertet, die ein Investitionsvolumen von insgesamt rund 8,5 Mrd. Euro darstellen. Neun FIS-Vorhaben, darunter auch internationale Projekte, durchliefen erfolgreich die Bewertungsphase und wurden in Form einer Shortlist veröffentlicht. Dies ist ausdrücklich nicht mit einer Finanzierungszusage verbunden, stellt jedoch ein wichtiges Signal für die prioritäre Weiterverfolgung der Vorhaben aus forschungspolitischer Sicht und ihren potenziell großen Beitrag zur Leistungsfähigkeit des deutschen Wissenschaftssystems dar. Die Shortlist-Vorhaben gehen nun in eine Begleitphase über. Sie werden unter Berücksichtigung der in den Bewertungen gegebenen Empfehlungen weiter ausgearbeitet und durch einen mandatierten Ausschuss des Wissenschaftsrats evaluativ begleitet. Im nächsten Schritt nimmt das BMFTR Gespräche mit den beteiligten Einrichtungen und den weiteren Partnern zu den individuellen Umsetzungsmöglichkeiten auf.

Mit dem 2023 begonnenen Aufbau des Deutschen Zentrums für Astrophysik (DZA) wird die Grundlagenforschung im Bereich Universum ausgebaut. Ziel ist es, Technologieentwicklung, Datenexpertise und astrophysikalische Forschung in einem Forschungszentrum zu bündeln. Im DZA sollen so die Grundlagen für neue astronomische Instrumente geschaffen werden. Dazu zählen Detektoren und Sensortechnologien, die das sichtbare Lichtspektrum betreffen und die für weltraum- und bodengebundene Teleskope benötigt werden. Ein intensiver Wissens- und Technologietransfer unter Einbindung von Partnern in der Region und bundesweit ist dabei von vornherein mitangelegt.

9.2.2 Europäische und internationale Forschungsinfrastrukturen

Der gemeinschaftliche Auf- und Ausbau sowie die effektivere und breitere Nutzung von Forschungsinfrastrukturen sind Kernelemente eines wettbewerbsfähigen und zukunftsorientierten Europäischen Forschungsraums (engl. European Research Area; ERA). Mit der ERA Policy Agenda 2025–2027 bekräftigt die EU, die Nachhaltigkeit und Widerstandsfähigkeit von – sowie den Zugang zu – Forschungsinfrastrukturen stärken zu wollen. Die Bundesregierung kooperiert auf europäischer und internationaler Ebene zu gemeinsamen multinationalen FIS. Im Rahmen des Europäischen Strategieforums für Forschungsinfrastrukturen (engl. European Strategy Forum on Research Infrastructures; ESFRI), in dem sich die Bundesregierung engagiert, werden die wichtigsten strategischen Planungen für gemeinsame FIS in Europa koordiniert. Seit 2006 führt ESFRI ein europäisches Roadmap-Verfahren durch, in dem die wichtigsten Planungen von EU-Mitgliedstaaten und assoziierten Staaten für gemeinsame Forschungsinfrastrukturvorhaben in Europa gebündelt werden. Aktuell läuft das Verfahren für die ESFRI Roadmap 2026.

Europäische Forschungsinfrastrukturen umfassen Einrichtungen aus den Bereichen Daten, digitale Forschung und Großrechner, Energie, Umwelt, Gesundheit und Ernährung, Physik und Ingenieurwesen sowie soziale und kulturelle Innovationen. Von den 41 Landmark-Einrichtungen der ESFRI-Roadmap – d. h. die bestehenden FIS und diejenigen, die eine fortgeschrittene Umsetzungsphase erreicht haben – werden 26 mit deutscher Beteiligung betrieben.

Extrem leistungsfähige Teleskope sind von zentraler Bedeutung für die bodengestützte Astronomie. Die Europäische Südsternwarte (engl. European Southern Observatory; ESO) betreibt an drei Standorten in der Atacama-Wüste in Nordchile eine Reihe von Teleskopen und Instrumenten. Dazu zählt mit dem Very Large Telescope (VLT) das aktuell höchstentwickelte optische Instrument der Welt, das z. B. die erste Aufnahme eines Exoplaneten und die Beobachtung des Nachleuchtens des am weitesten entfernten bislang bekannten Gammastrahlen-Ausbruchs ermöglichte. Das im Bau befindliche Extremely Large Telescope (ELT) wird mit einem Hauptspiegeldurchmesser von 39 m das VLT nochmals deutlich übertreffen. Es wird in der Lage sein, erdähnliche Planeten außerhalb des Sonnensystems zu entdecken, dort nach Biosignaturen zu suchen sowie die Natur frühester Galaxien, der Dunklen Materie und der Dunklen Energien zu erforschen. Erste Testbeobachtungen am ELT sollen 2029 stattfinden.

© BMFTR

Im Jahr 2025 wurde das internationale Konsortium, das das Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) seit 2010 vorantreibt, in die Rechtsform eines European Research Infrastructure Consortium (ERIC) überführt. Das CTAO wird im finalen Ausbauzustand mehr als 60 Teleskope an zwei Standorten auf der Nord- und Südhemisphäre betreiben, die kosmische Gammastrahlungsquellen mit bisher unerreichter energetischer Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung untersuchen. Seit 2024 ist Deutschland auch Mitglied des Square Kilometre Array Observatory (SKAO). Das Radioteleskop vernetzt zwei Standorte (Südafrika und Australien) und führt Know-how aus über 20 Ländern zusammen. SKAO wird durch seine Anforderungen hinsichtlich Datenmengen und -komplexität neue Standards in Bereichen wie Big Data und KI setzen.

Sowohl das ELT, das CTAO als auch das SKAO werden im Rahmen des ESFRI auf europäischer Ebene koordiniert. Deutschland ist zudem Gründungsmitglied im Low Frequency Array European Research Infrastructure Consortium (LOFAR ERIC), einem Netzwerk von Radioteleskopantennen im niederfrequenten Bereich. Darüber hinaus engagiert sich Deutschland im Bereich der Gravitationswellenastronomie bei der Errichtung des Einstein-Teleskops als europäisches Leuchtturmprojekt.

Auch im Weltraum werden Forschungsinfrastrukturen wie Satelliten, Weltraumteleskope, die Internationale Raumstation ISS und Raumsonden in internationaler Zusammenarbeit mit deutscher Unterstützung gebaut und weiterentwickelt (4.3 Erforschung und Exploration des Weltraums).

Neben Teleskopen gehören zu den größten europäischen FIS vor allem Teilchenbeschleuniger und Strahlenquellen. Die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) betreibt im französischen Grenoble die derzeit leistungsfähigste Synchrotron-Röntgenquelle für Forschungszwecke. Die ESRF ist nicht nur unabdingbar für spezielle Experimente in der Radiobiologie, der Grundlagenphysik und der physikalischen Chemie, sondern auch für Strukturanalysen in der Festkörperphysik, der Molekularbiologie, der Materialwissenschaft sowie für Diagnose und Therapie in der Medizin.

Am gleichen Standort wird am Institut Laue-Langevin (ILL) der weltweit leistungsstärkste Hochflussreaktor zur Neutronenforschung betrieben, dessen Untersuchungsgebiete von technischen Anwendungen bis hin zu Biologie und Gesundheit reichen. Ein umfassendes Modernisierungsprogramm zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Messinstrumente wurde 2024 abgeschlossen. Die Laufzeit des ILL wurde 2025 durch die Gesellschafter bis 2033 fest zugesagt.

Die European Spallation Source (ESS), errichtet im schwedischen Lund, wird ab der geplanten Inbetriebnahme im Jahr 2028 Neutronenstrahlung mit der weltweit höchsten Intensität liefern. Deutsch-schwedische Forschungsverbünde auf den Gebieten Materialforschung und Strukturbiologie mit Neutronen- und Synchrotronstrahlung werden bereits vom BMFTR gefördert.

In einer ersten Ausbaustufe soll 2028 die internationale Beschleunigeranlage FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), deren Herzstück ein supraleitender Ringbeschleuniger ist, an der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt in Betrieb gehen. Dort lassen sich künftig kleinste Teilchen erforschen und Prozesse aus dem Universum im Labor nachstellen und untersuchen. Mit der neuen Beschleunigeranlage sollen z. B. die Entstehung schwerer Elemente im Universum erforscht und neue Tumortherapien mit schweren Elementen entwickelt werden.

Zu den weiteren Großgeräten mit deutscher Beteiligung zählt der European X-Ray Free-Electron Laser (XFEL) in Schenefeld (Schleswig-Holstein), der seit 2017 extrem kurz getaktete Laserimpulse im Röntgenspektralbereich liefert. Das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) in Hamburg betreibt die Röntgenlichtquellen PETRA III und FLASH. Mithilfe dieser Anlagen können biochemische und physikalische Strukturen und Prozesse im Nanometerbereich besser verstanden werden. Der Elektronenringbeschleuniger BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin dient vor allem der Energie-Material-Forschung, z. B. für Anwendungen im Bereich der erneuerbaren Energien.

Fragen zum Aufbau und zu den grundlegenden Bausteinen des Universums sowie zu den darin stattfindenden Wechselwirkungen stehen im Mittelpunkt der Arbeit des CERN, der europäischen Organisation für Kernforschung. Diese betreibt seit 2009 bei Genf in der Schweiz mit dem Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) die weltweit größte Forschungsinfrastruktur auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Erforscht werden insbesondere die kleinsten Teilchen, wie Neutrinos und Higgs-Teilchen, sowie mögliche Kandidaten für Dunkle Materie. Voraussichtlich im Jahr 2030 wird mit dem High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) ein Upgrade des LHC abgeschlossen. Machbarkeitsstudien zu potenziellen Nachfolgeprojekten des LHC, etwa zum FCC (Future Circular Collider), einem rund 90 km langen Ringbeschleuniger, wurden in den derzeit laufenden Strategieprozess European Strategy for Particle Physics eingebracht. Das CERN, getragen von derzeit 25 Vollmitgliedstaaten und zahlreichen assoziierten Mitgliedern auch außerhalb Europas, organisierte diesen Prozess als Koordinator und Sprachrohr für die gesamte europäische Teilchenphysik – und ist damit ein Beispiel für erfolgreiche Science Diplomacy (12.1 Internationale Zusammenarbeit in Forschung und Innovation).

Der Bundeshaushalt übernimmt rund 20 % des Beitrags der Mitgliedstaaten zum CERN-Haushalt – jährlich rund 260 Mio. CHF. Deutschland ist damit der größte Beitragszahler. Mit der vom BMFTR geförderten Informationsplattform „Weltmaschine“ werden Wissen zum und aktuelle Aktivitäten am LHC bzw. am CERN einer breiten interessierten Öffentlichkeit vermittelt.

9.2.3 High-Performance-Computing

Simulationen zum Klimawandel und zum Bevölkerungsschutz, Anwendungen Künstlicher Intelligenz (KI) u. a. im Sicherheitsbereich, Viren- und Materialforschung – dafür ist das Hoch- und Höchstleistungsrechnen (engl. High Performance Computing; HPC) notwendig. Es ist ein essenzielles Werkzeug in vielen Bereichen der Forschung, Grundlage innovativer Wertschöpfung und als Schlüsseltechnologie ein entscheidender Erfolgsfaktor für den Wissenschafts- und Wirtschaftsstandort Deutschland.

Die Bundesregierung finanziert ein umfassendes Portfolio von Rechnern und Kompetenzen, das dem Bedarf von Wissenschaft und Forschung auch künftig gerecht wird. Dazu baut das BMFTR mit dem Programm „Hoch- und Höchstleistungsrechnen für das digitale Zeitalter“ die Recheninfrastruktur in Deutschland strategisch aus. Das an die deutsche und an die internationale Wissenschaft gerichtete HPC-Angebot ist in drei Ebenen strukturiert.

Die erste Ebene bilden die drei leistungsfähigsten Rechenzentren Deutschlands unter dem Dach des Gauss Centre for Supercomputing (GCS). Diesem gehören das Höchstleistungsrechenzentrum der Universität Stuttgart, das Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Garching (LRZ) und das Jülich Supercomputing Centre (JSC) an. Das GCS wird paritätisch durch das BMFTR sowie die Länder Baden-Württemberg, Bayern und Nordrhein-Westfalen gefördert. Die Aufgabe des GCS ist es, wissenschaftliche Entdeckungen zu fördern, indem deutschen und europäischen Forschenden zum einen Zugang zu hochmodernen HPC-Ressourcen ermöglicht wird und ihnen zum anderen bestmögliche Expertise, Dienstleistungen und Unterstützung geboten werden.

Die zweite Ebene umfasst momentan 13 überregionale HPC-Zentren mit Hochleistungsrechnern an Forschungseinrichtungen und Hochschulen. Das BMFTR unterstützt gemeinsam mit den Ländern seit 2019 den Verein für Nationales Hochleistungsrechnen (NHR), der aktuell aus neun Hochschul-Rechenzentren besteht. Neben der flächendeckenden und bedarfsgerechten Bereitstellung von Hochleistungsrechenkapazitäten an Hochschulen verfolgt die Bund-Länder-Förderung Ziele der standortübergreifenden und interdisziplinären Zusammenarbeit sowie der Stärkung der Methodenkompetenz. Zudem wird der zunehmenden Nachfrage nach wissenschaftlichem Rechnen und den digitalen Anforderungen zukunftsgerichteter Wissenschaft nachgekommen. Für die Beschaffung und den Betrieb – über eine Dauer von mindestens zehn Jahren – stehen jährlich bis zu 62,5 Mio. Euro zur Verfügung.

Die dritte Ebene bilden vor allem regionale Rechenzentren, die eine Vielzahl von Anwendungen mit geringeren Leistungsanforderungen bedienen. Insgesamt 19 große wissenschaftliche Rechenzentren der ersten, zweiten und dritten Ebene bzw. andere HPC-relevante wissenschaftliche Einrichtungen haben sich zudem in der Gauß-Allianz zusammengeschlossen. Der gemeinnützige Verein fördert Forschungsaktivitäten zum Thema HPC, verbessert die internationale Sichtbarkeit deutscher Forschungsanstrengungen, bietet Veranstaltungen und Beratung und veröffentlicht eigene wissenschaftliche Ergebnisse.

Darüber hinaus betreiben Forschungseinrichtungen wie das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) eigene Hochleistungsrechner. Die HPC-Cluster CARO und CARA (Computer for Advanced Research in Aerospace) an den DLR-Standorten Göttingen und Dresden werden z. B. für spezifische Fragestellungen der Flugzeugentwicklung sowie zur FuE in den Bereichen Windkraftanlagen und Züge der Zukunft eingesetzt.

Um ein ganzheitliches Ökosystem des HPC weiterzuentwickeln, beteiligt sich Deutschland mit dem GCS seit 2018 am Joint Undertaking European High Performance Computing (EuroHPC). Mit dieser Initiative fördert die Europäische Kommission im Verbund mit 36 europäischen Staaten sowie drei privaten Partnern die Beschaffung von Rechenkapazitäten, Forschungsprojekte zu Grundlagen und Anwendungen für HPC sowie den Ausbau von HPC-Kompetenzen in Europa. Über die Partnership for Advanced Computing in Europe (PRACE) haben aktuell Forscherinnen und Forscher aus 25 Staaten Zugang zu Supercomputern, u. a. zu den deutschen Höchstleistungsrechnern des GCS.

9.3 Dateninfrastrukturen und -verfügbarkeit

Daten sind eine zentrale Ressource der digitalen Gesellschaft. Für Wissenschaft, Wirtschaft und Politik ist ihre Verfügbarkeit in hoher Qualität und Aktualität entscheidend. Die Bundesregierung setzt daher auf leistungsfähige Dateninfrastrukturen, den verbesserten Zugang zu Daten sowie auf deren rechtssichere und verantwortungsvolle Nutzung. Die Nationale Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) stärkt die systematische Erschließung und Vernetzung von Forschungsdaten in Deutschland in Einklang mit der europäischen Ebene, wo mit gemeinsamen Datenräumen und Initiativen sichere und souveräne Dateninfrastrukturen in und für die EU geschaffen werden, die internationale Abhängigkeiten verringern.

9.3.1 Verfügbarkeit von Daten

Um das Potenzial von Daten für wissenschaftlichen Erkenntnisgewinn und innovative Anwendungen nutzbringend auszuschöpfen, setzt sich die Bundesregierung für die Schaffung von verbesserten und rechtssicheren Rahmenbedingungen für die Datenökonomie ein. Diese beziehen sich auf den Zugang zu Daten aus Wirtschaft, Wissenschaft, Verwaltung und Zivilgesellschaft sowie auf Fragen der Portabilität und Interoperabilität. Es soll dabei der Grundsatz „public money, public data“ verfolgt werden. Eine Prämisse ist, dass stets eine verantwortungsvolle Balance zwischen Datennutzung und Datenschutz gewährleistet wird.

Um die verantwortungsvolle, souveräne Bereitstellung und Nutzung von Daten zu verbessern und Datenkompetenz sowie Datenakzeptanz zu steigern, hat die Bundesregierung im August 2023 die weiterentwickelte Datenstrategie vorgelegt, die auch den Aufbau nationaler und europäischer Dateninfrastrukturen vorsieht. Im Rahmen der Datenstrategie sollen neue Datenräume geschaffen werden und vermehrt neue kooperationsfördernde Lösungen wie Datentreuhänder zum Einsatz kommen. Das BMFTR fördert deshalb die Pilotierung, Etablierung und Skalierung von Datentreuhandmodellen (DTM) durch verschiedene miteinander vernetzte Maßnahmen seit 2021.

Ein geplantes Forschungsdatengesetz (FDG) verfolgt das Ziel, Daten der öffentlichen Hand in größtmöglichem Umfang und rechtssicher für die öffentliche und private Forschung zeitnah nutzbar zu machen. Insbesondere erleichtert das FDG die datenschutzkonforme und sichere Zusammenführung von Daten aus verschiedenen Sektoren zu Forschungszwecken. Mit der Errichtung eines Deutschen Zentrums für Mikrodaten sollen eine zentrale Servicestelle und die notwendige Infrastruktur, insbesondere für Datenverknüpfungen und Zugang zu pseudonymisierten Daten, geschaffen werden.

Der vom BMFTR 2020 initiierte Aktionsplan Forschungsdaten adressiert in drei Bereichen das Bereitstellen und Weiterverwenden von Daten in Bildung, Wissenschaft und Forschung. Im Bereich „Datensouveränität“ wird die Entwicklung von Technologien für den Aufbau und Betrieb energieeffizienter, sicherer und moderner Dateninfrastrukturen unterstützt. Die Maßnahmen im Bereich „Datenbasierte Innovationen“ zielen auf die bessere Nutzbarmachung von Daten sowie die Erschließung neuer Datenquellen ab. Im Bereich „Datenkompetenz“ werden Maßnahmen gefördert, die den Umgang mit digitalen Daten in der Wissenschaft (engl. Data Science) verbessern. Als Teil des Aktionsplans sollen Daten aus BMFTR-geförderten Projekten zugänglich gemacht werden. Seit 2022 werden Projekte zum Aufbau von Datenkompetenzen bei Nachwuchsforschenden und von leistungsfähigen Strukturen für das Management von Forschungsdaten an Hochschulen für Angewandte Wissenschaften gefördert. Seit Ende 2023 wird darüber hinaus die Einrichtung von elf Datenkompetenzzentren in der Wissenschaft unterstützt, die das Thema Data Literacy disziplin- und einrichtungsübergreifend im Wissenschaftssystem stärken sollen.

Open Access – der digitale und unentgeltliche Zugang zu Publikationen – ist ein weiterer Schlüssel, um wissenschaftliche Erkenntnisse zugänglich zu machen und ihre breite Anwendung zu ermöglichen. Dieser offene Zugang zu wissenschaftlichen Publikationen trägt dazu bei, neue Ideen in die Breite zu tragen, Forschungsprozesse zu beschleunigen und effizienter zu gestalten sowie ihre Transparenz und Qualität durch bessere Reproduzierbarkeit zu sichern. Das BMFTR hat sich mit seiner bereits 2016 veröffentlichten Strategie „Open Access in Deutschland“ zum Ziel gesetzt, Open Access zum Standard des wissenschaftlichen Publizierens in Deutschland zu machen, und hat Open Access als Grundprinzip in der Förderung verankert, z. B. mit Open-Access-Klauseln in den Förderbestimmungen des BMFTR und mit der Möglichkeit, Publikationskosten für Open-Access-Veröffentlichungen zu beantragen. Zudem wird die Etablierung einer gelebten Open-Access-Kultur gefördert.

9.3.2 Forschungsdateninfrastrukturen

© Erik Lichtenscheidt / ZB MED

Zeitgemäße und zukunftsfähige Forschungsdateninfrastrukturen sind – um datengetriebene Wissenschaft zu ermöglichen – darauf ausgerichtet, extrem große und komplexe Datenmengen auszuwerten. Sie erweisen sich weiterhin als entscheidend für Innovationen in der Datenökonomie – Wertschöpfungsbereiche, die auf der Auswertung, Nutzung und Verwendung von Daten beruhen. Unter dem Sammelbegriff Dateninfrastrukturen fasst man dabei die rechtlichen und technischen Grundlagen sowie Dienste zusammen, auf deren Basis Daten und Software zur Verfügung gestellt werden. Daher fördert die Bundesregierung in ihrer 2021 erstmals vorgelegten und 2023 weiterentwickelten Datenstrategie den Ausbau nationaler und europäischer Dateninfrastrukturen. Auf europäischer Ebene ist besonders der European Health Data Space (EHDS) zu nennen, der den ersten gemeinsamen EU-Datenraum in einem fachspezifischen Bereich darstellt. Der EHDS schafft einen rechtlichen und technologischen Rahmen für die Bereitstellung und Nutzung von elektronischen Gesundheitsdaten in der Gesundheitsversorgung sowie für Forschung, Innovation und Politikgestaltung – sowohl innerhalb der EU-Mitgliedstaaten als auch grenzüberschreitend. Weitere europäische Datenräume befinden sich in der Entwicklung. Auf Basis dieser Infrastrukturen können sektoren- und branchenübergreifende Datenräume und -ökosysteme entstehen, die das verantwortungsvolle Teilen und gemeinsame Nutzen von Daten erleichtern.

Mit der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) sollen Datenbestände der Forschung, die bislang an verschiedenen Orten lediglich projektbezogen und temporär gespeichert wurden, für das deutsche Wissenschaftssystem gesichert, erschlossen, vernetzt und zeitnah zugänglich gemacht werden. Ziel ist, dass Forschungsdaten intensiver genutzt werden, um wissenschaftliche Erkenntnisse und Innovationen zu ermöglichen und somit gesellschaftlichen Mehrwert zu generieren. Die NFDI erarbeitet Standards für das interoperable Datenmanagement und schafft eine gemeinsame Basis in Bezug auf Datenschutz, Souveränität, Integrität und Qualität der Daten. Maßgeblich ist dabei die Anwendung der FAIR-Prinzipien, um Daten wiederauffindbar, zugänglich, interoperabel und wiederverwendbar (engl. Findable, Accessible, Interoperable, Reusable; FAIR) zu machen.

Bund und Länder stellen bis 2028 jährlich bis zu 90 Mio. Euro für die Förderung der NFDI zur Verfügung. Damit werden 27 Konsortien aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen, Datenzentren und Infrastruktureinrichtungen darin unterstützt, existierende Datensammlungen und Dienste zusammenzuführen und neue, übergreifende Dienste und Lösungen für das Forschungsdatenmanagement zu etablieren. 2020 wurde der Verein Nationale Forschungsdateninfrastruktur e. V. gegründet, der für die Koordination der Aktivitäten der NFDI zuständig ist und dem derzeit rund 320 Mitgliedseinrichtungen angehören. Die NFDI-Konsortien gestalten gemeinsam mit dem NFDI e. V. die Zukunft des Forschungsdatenmanagements in Deutschland. Im Jahr 2025 führte der Wissenschaftsrat eine Strukturevaluation der NFDI durch und empfiehlt eine weitere Förderung der NFDI über 2028 hinaus.

Mit dem Kompetenznetzwerk Bibliometrie (KB) fördert das BMFTR außerdem den Ausbau einer zentralen Dateninfrastruktur für bibliometrische Forschungs- und Berichtstätigkeiten. Bibliometrische Forschung liefert wichtige Indikatoren zu Forschungstrends und Leistungsmessung in der Wissenschaft und stellt Teile der Datenbasis für Monitoring-Berichte.

Durch die Europäische Cloud für offene Wissenschaften (engl. European Open Science Cloud; EOSC) soll auf europäischer Ebene eine vertrauenswürdige Umgebung geschaffen werden, in der die wissenschaftliche Gemeinschaft Forschungsdaten sicher speichern, grenzüberschreitend austauschen und gemeinsam (weiter)nutzen kann. Die EOSC integriert existierende bzw. geplante nationale und europäische Maßnahmen zum Aufbau von Forschungsdateninfrastrukturen und zur Förderung von Open Science. Die NFDI ist in diesem Sinne ein wichtiger Beitrag Deutschlands zur Umsetzung der EOSC. Seit 2021 wird die EOSC im Rahmen einer strategischen Partnerschaft zwischen EU-Mitgliedstaaten, der EOSC Association und der Europäischen Kommission mit Mitteln aus dem Rahmenprogramm Forschung und Innovation Horizont Europa unterstützt. Die EOSC Association bringt Stakeholder aus der europäischen Forschungsgemeinschaft zusammen, die die EOSC gestalten und ihre Weiterentwicklung fördern.

Im Gegensatz zum Wissenschaftsfokus der EOSC richtet sich die europäische Dateninfrastruktur Gaia-X vor allem an Unternehmen, Bürgerinnen und Bürger. Mit dem Aufbau von Gaia-X wurde ein wesentlicher Beitrag für eine branchen- und sektorenübergreifende Cloud- und Dateninfrastruktur geschaffen, die sich an europäischen Werten orientiert. Ziel ist eine Vernetzung beziehungsweise interoperable Verknüpfung von Infrastrukturdiensten, sodass ein Ökosystem entsteht, in dem Daten sicher und vertrauensvoll geteilt werden können. Gaia-X leistet somit einen wichtigen Beitrag zur Förderung datenbasierter Innovationen sowie zur Stärkung der europäischen Datensouveränität. Im Zuge der Gründung der europäischen Dachorganisation Gaia-X European Association for Data and Cloud AISBL im Jahr 2021 wurde das gemeinsame Projekt in eine feste organisatorische Struktur überführt, die in der Zwischenzeit auf mehr als 340 Mitglieder angewachsen ist.

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Um die Integration von Edge-Computing und modernen Cloud-Technologien voranzutreiben, beteiligt sich die Bundesregierung über das BMWE an einem wichtigen Vorhaben von gemeinsamem europäischen Interesse (engl. Important Project of Common European Interest; IPCEI). Das IPCEI Cloud (IPCEI-CIS) ist die zentrale digitale Initiative für Europa, die von mehr als 100 Unternehmen und Forschungseinrichtungen aus zwölf EU-Mitgliedstaaten vorangetrieben wird. Das Hauptziel ist es, eine dezentrale Software-Infrastruktur zu schaffen, die Edge-Computing und Cloud-Computing nahtlos integriert und damit eine optimale Datenverarbeitung und -speicherung in verteilten Netzwerken ermöglicht. Dadurch können die Voraussetzungen für innovative datengetriebene Geschäftsmodelle verbessert, kritische technologische Abhängigkeiten reduziert und Lock-in-Effekte vermieden werden.