Grundlagenforschung zu Universum und Materie

Bei der Erforschung von Universum und Materie geht es um die große Frage, was die Welt im Innersten zusammenhält. Aufgabe der Grundlagenforschung zu Universum und Materie ist die Erforschung von Teilchen, Materie und Universum und deren Zusammenhänge in der Natur. Grundlagenforschung erweitert das Wissen von heute und schafft das Fundament für Technologien von morgen. Die langfristig angelegte Förderung der Grundlagenforschung macht Deutschland zu einem attraktiven Standort für die besten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt.

Die Grundlagenforschung ist die Basis für Erkenntnisgewinn und Fortschritt. Aufbauend auf den Ergebnissen aus mehreren Jahrhunderten entstehen daraus rund um große Forschungsinfrastrukturen (Großgeräte) Anwendungen, Innovationen und neue Technologien. Mit dem Rahmenprogramm Erforschung von Universum und Materie fördert das BMBF innovative Ideen in der Grundlagenforschung, die einen wichtigen Beitrag zum Verständnis von Aufbau und Funktion von Universum und Materie liefern.

Forschungsinfrastrukturen sind eine der zentralen Voraussetzungen für exzellente Grundlagenforschung zu Universum und Materie, bedeutende technologische Fortschritte und die Erschließung neuer Forschungsgebiete. Aufgrund der hohen forschungspolitischen und volkswirtschaftlichen Relevanz von Forschungsinfrastrukturen ist es notwendig, ihren Aufbau strategisch zu planen. Prioritäten für neu zu errichtende Forschungsinfrastrukturen werden in einem transparenten und offenen Verfahren gesetzt, dem Nationalen Roadmap-Prozess für Forschungsinfrastrukturen. Solche Forschungsinfrastrukturen sind ein wesentlicher Bestandteil des deutschen und internationalen Wissenschaftssystems und bieten einzigartige Forschungsmöglichkeiten, um die Geheimnisse von Universum und Materie zu ergründen.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von überregional kooperierenden deutschen Universitäten erhalten im Zuge der projektorientierten Verbundforschung die Möglichkeit, an weltweit führenden Forschungsinfrastrukturen wie z. B. der derzeit modernsten und leistungsfähigsten Röntgenlaser-Anlage European XFEL in der Metropolregion Hamburg zu arbeiten. Diese gezielte Form der Förderung ermöglicht Forscherinnen und Forschern, Experimente und Apparaturen für die Großgeräte zu entwickeln.

Erforschung von Universum und Materie

Mit dem neuen Rahmenprogramm Erforschung von Universum und Materie (ErUM) initiiert das BMBF neue Ideen in der Grundlagenforschung, damit Deutschland auch in Zukunft ein Land der Ideen und Innovationen bleibt. Das 2017 vorgestellte Rahmenprogramm, für das unter dem Vorbehalt verfügbarer Haushaltsmittel bis zu rund 1,5 Mrd. Euro pro Jahr über alle Förderinstrumente vorgesehen sind, zielt auf die Förderung der exzellenten Grundlagenforschung in Deutschland ab. Die Erforschung von Teilchen, Materie und Universum erweitert das Wissen von heute und schafft die Grundlage für Technologien von morgen und übermorgen.

Das BMBF spannt mit dem Rahmenprogramm den thematischen Bogen von den allerkleinsten Strukturen in der Materie – den Teilchen – bis zu den größten Strukturen im Universum. Die Forschung zu Materie, wie wir sie in Werkstoffen, Biomolekülen und Organismen finden, legt die Basis für künftige Innovationen in Industrie und Medizin. Und nicht zuletzt bildet die Forschung an Forschungsinfrastrukturen auch den Nachwuchs in Mathematik, Informatik und Technik aus, der für eine leistungsfähige Wissensgesellschaft und Innovationen notwendig ist.

Gemeinsam mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gestaltet das BMBF die Landschaft der Forschungsinfrastrukturen von morgen und begleitet diese nationalen und internationalen Infrastrukturen entlang ihres Lebenszyklus, also von der Konzeption über den Bau und die Instrumentierung bis hin zum Betrieb und zum Abbau oder zur Umnutzung der Forschungsinfrastrukturen.

Forschung an großen Forschungsinfrastrukturen

Für eine erfolgreiche Grundlagenforschung in den Gebieten Teilchen, Materie und Universum sind modernste, zum Teil global organisierte Forschungsinfrastrukturen notwendig. Das Rahmenprogramm zu Erforschung von Universum und Materie nimmt diesen Themenschwerpunkt auf. Forschungsinfrastrukturen der Grundlagenforschung sind aufgrund ihrer Komplexität mit vergleichsweise hohen Aufbau- und Betriebskosten verbunden und häufig nicht nur für die nationale, sondern auch für die internationale Nutzergemeinschaft von Bedeutung. Dementsprechend sind die förderpolitischen Strategien und Planungszeiträume meist sehr langfristig, gegebenenfalls für mehrere Jahrzehnte ausgelegt. Im Falle internationaler Beteiligungen und Nutzungspotenziale sind die Entscheidungen für Bau, Betrieb und Rückbau gemeinsam mit europäischen oder außereuropäischen Partnerländern und -institutionen zu treffen (siehe auch IV 2 Deutschlands Rolle in Europa und IV 3 Weltweite Zusammenarbeit). Prioritäten für neu zu errichtende Forschungsinfrastrukturen werden in einem transparenten und offenen Verfahren gesetzt, dem Nationalen Roadmap-Prozess für Forschungsinfrastrukturen (siehe auch II 2.2 Finanzierung von Forschung und Entwicklung durch Bund und Länder).

Das BMBF fördert den Aufbau von Forschungsinfrastrukturen der Grundlagenforschung zu Universum und Materie. Dazu gehören:

  • Großteleskope und Observatorien für die den Makrokosmos (Planeten, Sterne, Galaxien etc.) betreffende astrophysikalische Grundlagenforschung
  • Teilchenbeschleuniger mit Kollisionsexperimenten für die den Mikrokosmos (Elementarteilchen, fundamentale Wechselwirkungen/Kräfte, Hochenergiephysik etc.) betreffende physikalische Grundlagenforschung (siehe auch Infobox FAIR)
  • innovative Licht- und Teilchenquellen hoher Intensität als Nutzerplattformen für sowohl grundlagen- als auch anwendungsorientierte Forschung in den Bereichen Materialwissenschaften, Lebenswissenschaften und Energie

Darüber hinaus fließen weitere BMBF-Finanzmittel in die

  • Verbundforschung (Projektförderung von Hochschulen). Dieses Förderinstrument dient der Gestaltung der Forschungsinfrastrukturen durch überregional zusammenarbeitende Hochschulen in Deutschland. Neben der fachlich qualifizierten Nutzung und Instrumentierung der Infrastrukturen ist die Sicherung des wissenschaftlichen Nachwuchses ein zentrales förderpolitisches Ziel. Nicht zuletzt soll der Transfer der wissenschaftlichen Grundlagenergebnisse in praktische Anwendungen zu technischen Innovationen führen. Die Verbundforschung an Forschungsinfrastrukturen erfolgt innerhalb des gleichnamigen BMBF-Fachprogramms in den Fachdisziplinen „Physik der kleinsten Teilchen“, erdgebundene „Astro- und Astroteilchenphysik“ sowie „Kondensierte Materie“. Fachdisziplinübergreifend werden außerdem Vorhaben aus der Beschleunigerphysik, der Detektorentwicklung und dem Bereich Digitalisierung und Datenmanagement gefördert;
  • institutionelle Förderung von Großforschungseinrichtungen. Der Bau und zum Teil der Betrieb der Forschungsinfrastrukturen werden durch die institutionelle Förderung der Großforschungseinrichtungen, zu denen z. B. die Helmholtz-Zentren Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Forschungszentrum Jülich (FZJ) zählen, finanziell flankiert (siehe auch Organisationenband);
  • Beiträge an internationale Forschungsorganisationen. Zu den im Zusammenhang mit der Grundlagenforschung relevanten internationalen Forschungsorganisationen zählen z. B. die Europäische Organisation für Kernforschung CERN bei Genf, die Europäische Südsternwarte ESO in den chilenischen Anden sowie die Synchrotron- bzw. Neutronenstrahlungsanlagen ESRF und ILL in Grenoble.

FAIR

FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research) stellt eine internationale, am Forschungsstandort Deutschland in Darmstadt im Aufbau befindliche Beschleunigeranlage für Antiprotonen und Ionen dar. Sie soll extrem hochintensive Teilchenstrahlung bereitstellen, die es erlaubt, bisher in Erdlaboren unentdeckte Materiezustände zugänglich zu machen und die Wechselwirkungen der an den Kollisionen und Reaktionen beteiligten Atomkerne und Elementarteilchen zu verstehen. Die ca. 3.000 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zählende internationale Forschergemeinschaft aus rund 50 Staaten erwartet fundamental neue Erkenntnisse in Teildisziplinen der Hadronen-, Kern-, Atom- und Plasmaphysik. Über die Grundlagenforschung hinaus werden die Erkenntnisse gegebenenfalls zu neuen Anwendungen in der Materialforschung, der Strahlenbiologie und -medizin und der Weltraumphysik führen können. Bis 2025 soll die Anlage im Vollbetrieb sein. In Kooperation einer internationalen Länder- und Forschergemeinschaft gebaut, wird FAIR damit zu einem Meilenstein in der internationalen Forschungszusammenarbeit werden.

Fusionsforschung (Hochtemperatur-Plasmaforschung)

Die weltweit steigende Energienachfrage und die Zielsetzungen der internationalen Klimapolitik erfordern es aus Sicht der Bundesregierung, technologieoffen über eine breite Palette von Optionen für die künftige Energieversorgung zu forschen. Die Erforschung der Fusionsenergie hat das Ziel, eine nicht auf fossile Brennstoffe angewiesene verlässliche und wirtschaftliche Energiequelle zu erschließen. Diese wird voraussichtlich erst nach 2050 verfügbar sein. Die Fusionsforschung ergänzt daher als langfristig ausgerichtete, anwendungsorientierte Grundlagenforschung Forschung und Entwicklung zur Umsetzung der Energiewende (siehe auch III 1.2 Nachhaltigkeit, Klima und Energie).

Die Förderung der Fusionsforschung erfolgt überwiegend durch die programmorientierte Förderung der HGF. An diesem Programm sind das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP), das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie das Forschungszentrum Jülich (FZJ) beteiligt. Im internationalen Vergleich verfügen diese Forschungsinstitute über ein herausragendes wissenschaftliches Know-how. Mit Großgeräten wie dem Tokamak ASDEX Upgrade und dem Stellarator Wendelstein 7-X, beide am IPP, sowie dem Hochtemperatur-Helium-Kreislauf (HELOKA) und der Testeinrichtung für supraleitende Komponenten (TOSKA), beide am KIT, steht eine weltweit einmalige Infrastruktur zur Verfügung.

Die Arbeiten von IPP, KIT und FZJ sind eingebunden in das europäische Fusionsforschungsprogramm von Euratom. Das IPP koordiniert das von 29 nationalen Fusionszentren aus 26 Ländern der EU sowie der Schweiz gegründete Konsortium EUROfusion, das die neue zentrale Struktur der europäischen Fusionsforschung darstellt. Das IPP selbst zählt weltweit zu den führenden Instituten.

Auf europäischer Ebene unterstützt Deutschland, als Mitglied von Euratom zusammen mit allen anderen EU-Mitgliedstaaten, den Bau des International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) in Cadarache (Südfrankreich). Euratom vertritt die EU im ITER-Rat. Sie ist einer der sieben Partner im Projekt (EU, Japan, USA, Russland, China, Südkorea und Indien).

ITER soll – erstmals mit einem Fusionsplasma im 500-Megawatt-Bereich – zehnmal mehr Energie liefern, als zur Aufheizung des Plasmas benötigt wird, und so die Machbarkeit der kontrollierten terrestrischen Energiegewinnung aus Fusionsprozessen demonstrieren. Das erste Fusionsplasma soll 2025 gezündet werden. Zehn Jahre später soll der Vollbetrieb starten. ITER soll der Zwischenschritt zum ersten Demonstrationskraftwerk, DEMO, sein, das Strom ins Netz einspeist. Daher wird ITER viele Technologien testen, die in bisherigen Experimentieranlagen nicht benötigt wurden.

Internationale Forschungsinfrastrukturen (Großgeräte)

Nachfolgend wird ein Überblick zu den aktuell bedeutendsten europäischen bzw. internationalen Großgeräten der Grundlagenforschung zu Universum und Materie mit deutscher Beteiligung gegeben (siehe auch III 1.2 Nachhaltigkeit, Klima und Energie).

European X-Ray Free-Electron Laser Facility (European XFEL), seit Mai 2017 in Hamburg und Schleswig-Holstein in Betrieb, liefert extrem kurz getaktete Laserpulse im Röntgenspektralbereich. Die hohe Wiederholrate von 27.000 Röntgenblitzen pro Sekunde in Verbindung mit der Intensität der Laserstrahlung wird feinste Strukturen in komplexer Materie zugänglich machen und das Verständnis von biochemischen und physikalischen Prozessen im Nanometerbereich verbessern. Entsprechend breit gefächert sind die Anwendungsgebiete u. a. in der Biologie, der Medizin und den Materialwissenschaften. Deutschland trägt über die Hälfte der Baukosten dieses internationalen Großprojekts. In der XFEL GmbH haben sich 13 Staaten zusammengeschlossen, um in internationaler Gemeinschaft den Röntgenlaser zu bauen und für Nutzer weltweit zu betreiben. Seit September 2017 können Forschende Experimente durchführen.

Die European Spallation Source (ESS), die im südschwedischen Lund aufgebaut wird, soll ab 2019 Neutronenstrahlung mit der weltweit höchsten Intensität liefern, wobei die volle Funktionalität erst für Mitte der 2020er-Jahre vorgesehen ist. Mittels Neutronenstrahlung lassen sich nicht nur Kristallgitter und magnetische Strukturen identifizieren, sondern auch Teilchenbewegungen studieren und Atomisotope bestimmen. Die adressierten Wissenschaftsgebiete reichen von den klassischen drei Naturwissenschaften und Medizin über diverse Ingenieurwissenschaften bis hin zur Archäologie und Kunstgeschichte. ESS wurde Ende August 2015 in der Rechtsform eines European Research Infrastructure Consortium (ERIC) gegründet. Am Bau und Betrieb der ESS, der ersten großen europäischen Forschungsinfrastruktur, die in Skandinavien gebaut wird, beteiligen sich 15 europäische Staaten. Deutschland beteiligt sich an den Aufbaukosten mit rund 203 Mio. Euro.

Auch die Extreme Light Infrastructure (ELI) adressiert als europäische Forschungsinfrastruktur vielfältige Wissenschaftsgebiete von der Grundlagenphysik über Chemie, Biologie und Medizin bis hin zu den Materialwissenschaften. Die Laser- und Sekundärstrahlungsquellen höchster Intensität werden ab 2018 zunächst an drei Standorten in Tschechien, Rumänien und Ungarn bereitgestellt. Auch deutsche Universitäten und außeruniversitäre Forschungseinrichtungen sind an der Konzeption und dem Aufbau der Laseranlagen beteiligt.

Das Cherenkov Telescope Array (CTA) ist ein seit 2010 im Aufbau befindliches Observatorium für bodengebundene Hochenergie-Astrophysik, das die Untersuchung kosmischer Gammastrahlungsquellen mit bisher unerreichter energetischer Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung ermöglichen wird. An verteilten Standorten auf der Nord- und Südhemisphäre wird ein „Array“ von rund 100 abbildenden fotosensorischen Teleskopen aufgebaut. CTA soll fundamentale physikalische Fragen zu extremen Phänomenen im Universum beantworten. Die Beobachtungsobjekte wie z. B. Supernova-Überreste sind „kosmische Teilchenbeschleuniger“, in denen Elementarteilchen auf Energien beschleunigt werden, die weit jenseits der in Erdlaboratorien (z. B. am CERN) erreichbaren Energien liegen. Deutschland wird am Aufbau dieses internationalen Großprojekts mit substanziellen Beiträgen beteiligt sein; vorgesehen sind im Haushalt des BMBF rund 41 Mio. Euro. Am CTA-Konsortium sind rund 1.350 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus über 210 Instituten in 32 Staaten auf fünf Kontinenten beteiligt.

Die Inbetriebnahme des bei der ESO in Chile im Aufbau befindlichen Extremely Large Telescope (ELT) ist für Mitte der 2020er-Jahre geplant. Mit 39 Metern Hauptspiegeldurchmesser wird es das weltweit größte optische Teleskop sein und u. a. erstmals die direkte Beobachtung von Exoplaneten in benachbarten Galaxien ermöglichen.

Der am CERN betriebene Large Hadron Collider (LHC) ist der weltweit größte und leistungsfähigste Teilchenbeschleuniger. Seit 2009 prallen fast lichtschnelle Protonen mit bisher unerreichten Energien zusammen und haben zum Nachweis des Higgs-Bosons, eines grundlegenden und lange vor seiner Entdeckung postulierten Bausteins des Standardmodells der Teilchenphysik, geführt. Nach fast zweijährigen Wartungs- und Optimierungsmaßnahmen wird derzeit mit einer Energiesteigerung bis 14 Teraelektronenvolt nach weiteren unbekannten Phänomenen, wie z. B. der Dunklen Materie, geforscht. Ab 2023 ist mit dem High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) ein weiteres Upgrade des LHC geplant, um die Kollisionsraten der Protonen zu verzehnfachen. Durch den Nachweis seltenster Elementarteilchenreaktionen sollen offene Fragen der Physik beantwortet werden.

Die Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR), die in Darmstadt gebaut wird, ist ein einzigartiger Ringbeschleuniger mit 1.100 Metern Umfang, an den sich Speicherringe und Experimentierstationen zur Forschung mit Antiprotonen und Ionen anschließen (siehe auch Infobox FAIR).

Internationale Forschungsorganisationen

Die weltweit führenden Zentren der Grundlagenforschung zu Universum und Materie im Ausland sind wesentliche Ergänzungen der deutschen Forschungslandschaft und werden von deutschen Forschenden intensiv genutzt.

Die European Organization for Nuclear Research (CERN) betreibt mit dem Teilchenbeschleuniger LHC die weltweit größte Forschungsinfrastruktur auf dem Gebiet der Teilchenphysik. Auch wenn das unmittelbare Ziel reiner Erkenntnisgewinn ist, so hat die Teilchenphysik viele Technologieentwicklungen und Analysemethoden in Bereichen der Industrie (z. B. Produktbearbeitung und -konservierung, Wärme- und Kälteisolierung), der Medizin (Bildgebung, Strahlentherapie), der Kommunikation (Datenverarbeitung, Open Access), der Halbleiterproduktion und der Materialwissenschaften zur Folge.

Zugleich ist das CERN als Forschungsorganisation Koordinator und Sprachrohr für die gesamte europäische Teilchenphysik. Getragen von derzeit 22 Vollmitgliedstaaten und zahlreichen assoziierten Mitgliedern auch außerhalb Europas ist das CERN eine Organisation, die weltweit ein forschungspolitisches Schwergewicht darstellt. So wird hier von 2018 bis 2020 ein Strategieprozess koordiniert, der die Ausrichtung der physikalischen Grundlagenforschung für mindestens 30 Jahre bestimmen wird. Nach der Entdeckung des Higgs-Bosons 2012, mit dem das Standardmodell der Teilchenphysik komplettiert wurde, ist für Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus aller Welt der Weg zur Erforschung weiterführender fundamentaler Fragen nach der Natur der Materie und der Energie geebnet. Erwartet werden Erkenntnisse über den Geltungsbereich von Theorien, die über das Standardmodell hinaus in den Bereich einer „Neuen Physik“ vorstoßen.

Das European Southern Observatory (ESO) unterhält und betreibt in Chile besonders leistungsstarke Teleskope. Derzeit baut die ESO dort das größte optische Teleskop, das ELT. Seine Inbetriebnahme ist für 2024 geplant. Außerdem organisiert die ESO die internationale Zusammenarbeit der astronomischen Forschung insbesondere bei ALMA (Atacama Large Millimeter Array), einem Radioteleskop, an dem auch Kanada, die USA und Japan beteiligt sind. Die ESO-Hauptverwaltung befindet sich in Garching bei München.

Die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) betreibt eine hochleistungsfähige Synchrotron-Strahlungsanlage für Forschungszwecke. Die Synchrotron-Strahlungsquelle ist ein „Supermikroskop“, das mit Licht von extrem hoher Intensität und Genauigkeit Strukturen in der Festkörperphysik, der Molekularbiologie, der Materialwissenschaft, der Chemie, für Diagnose und Therapie in der Medizin sowie für spezielle Experimente in der Radiobiologie, der Grundlagenphysik und der physikalischen Chemie analysieren kann. Die Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter der ESRF entwickeln und bauen neuartige Messplätze, führen die Experimente und Messungen gemeinsam mit Gastwissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern durch und unterstützen sie bei der Auswertung der Ergebnisse.

Das Institut Max von Laue – Paul Langevin (ILL) verfügt über einen Hochflussreaktor (HFR) für Neutronenforschung für friedliche Zwecke. Die dort erzeugten Neutronen dienen der zerstörungsfreien Untersuchung der Struktur und Dynamik von fester, gasförmiger oder flüssiger Materie in den Bereichen Materialwissenschaft, Biologie, Chemie, Medizin und Teilchenphysik. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Technikerinnen und Techniker des ILL unterstützen den Bau neuartiger Messeinrichtungen und die wissenschaftlich-technische Arbeit der Gastforscherinnen und -forscher und begleiten die Auswertung ihrer Experimente und Messungen.