Naturwissenschaftliche Grundlagenforschung

Aufgabe der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung ist es, Erkenntnisse über die Struktur der Materie und die Zusammenhänge in der Natur zu gewinnen. Die Grundlagenforschung hat somit einen großen Einfluss darauf, wie sich unsere Gesellschaft entwickelt. Mit den Großprojekten von heute bereiten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler das Fundament für die Innovationen von morgen.

Naturwissenschaftliche Grundlagenforschung besitzt damit einen hohen gesellschaftlichen Wert. Durch Experimentieren und Erforschen lassen sich die Grenzen der menschlichen Erkenntnis in unbekannte Gebiete erweitern. Doch Grundlagenforschung dient weit mehr als nur dem reinen Erkenntnisgewinn. Rund um ihre Großgeräte entstehen regelmäßig technische Innovationen.

Exzellente Forschungsinfrastrukturen und Großgeräte sind von herausragender Bedeutung für eine weltweit führende Forschungslandschaft. Die Bundesregierung unterstützt die naturwissenschaftliche Grundlagenforschung und deren Forschungsinfrastrukturen strategisch und langfristig orientiert durch den Nationalen Roadmap-Prozess für Forschungsinfrastrukturen und die Verbundforschung.

Angesichts langjähriger Planungs- und Aufbauphasen sowie erheblicher Investitions- und Betriebskosten werden im Roadmap-Prozess Konzepte für Forschungsinfrastrukturen in einem transparenten Verfahren bewertet, und es wird eine forschungspolitische Priorisierung vorgenommen

Durch die Verbundforschung gestalten exzellente Forscherinnen und Forscher aus deutschen Universitäten die wissenschaftliche Beteiligung an den weltweit führenden Großgeräten, wie z. B. dem Large Hadron Collider (LHC) am CERN in der Schweiz und dem neuen Röntgenlaser European XFEL in der Nähe von Hamburg, der 2017 den Betrieb aufnehmen wird. Die gezielte Projektförderung erlaubt es insbesondere jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, innovative Experimente und Apparaturen für die Großgeräte zu entwickeln.

Forschungsbauten an Hochschulen einschließlich Großgeräten

Für eine international wettbewerbsfähige Forschung sind oftmals enorme Investitionen in geeignete Forschungsinfrastrukturen notwendig, die an Hochschulen nicht aus der institutionellen Grundfinanzierung heraus geleistet werden können. Bund und Länder fördern daher seit Mai 2007 als Gemeinschaftsaufgabe nach Art. 91b Abs. 1 GG die Realisierung von großen Forschungsinvestitionsvorhaben an Hochschulen, die sich durch herausragende wissenschaftliche Qualität und nationale Bedeutung auszeichnen. Dadurch sollen die investiven Voraussetzungen der deutschen Hochschulen für eine erfolgreiche Teilnahme am nationalen und internationalen Wettbewerb in der Forschung verbessert werden. Die Anträge für Forschungsbauten werden durch den Wissenschaftsrat auf ihre Qualität überprüft. Auf Grundlage seiner Empfehlungen entscheidet die Gemeinsame Wissenschaftskonferenz (GWK) über die Förderung. Alle beantragten Großgeräte werden nach den Qualitätskriterien der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) von ihr begutachtet; über Großgeräte bis 5 Mio. Euro entscheidet die DFG abschließend. Der Bund und das Land, das einen Forschungsbau oder ein Großgerät plant und durchführt, beteiligen sich je zur Hälfte an der Finanzierung(siehe auch IV Die Zusammenarbeit zwischen Bund und Ländern).

Der Bund stellt für die Förderung von Forschungsbauten und Großgeräten an Hochschulen jährlich 298 Mio. Euro bereit. Davon entfallen auf Forschungsbauten an Hochschulen 213 Mio. Euro und auf Großgeräte an Hochschulen 85 Mio. Euro. Seit Beginn der Förderung haben Bund und Länder gemeinsam 122 Forschungsbauten mit einem Gesamtvolumen von rund 3,5 Mrd. Euro (Bundesanteil 1,75 Mrd. Euro) in die Förderung aufgenommen. Im gleichen Zeitraum wurde die Beschaffung von Großgeräten an Hochschulen über die DFG mit Bundesmitteln von rund 652 Mio. Euro gefördert.

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Nationaler Roadmap-Prozess für Forschungsinfrastrukturen

Zu den Forschungsinfrastrukturen zählen umfangreiche Instrumente, Ressourcen und Serviceeinrichtungen für die Forschung in allen Wissenschaftsgebieten, die sich durch eine mindestens nationale Bedeutung für das jeweilige Wissenschaftsgebiet auszeichnen. Sie können ortsgebunden, verteilt oder virtuell sein, und ihre Lebensdauer ist auf mindestens zehn Jahre ausgelegt. Forschungsinfrastrukturen schließen somit sowohl Großgeräte wie Teilchenbeschleuniger, Satelliten, Teleskope und Forschungsschiffe als auch Dateninfrastrukturen, Sammlungen, Archive und andere Wissensressourcen ein.

Im Jahr 2015 wurde ein Nationaler Roadmap-Prozess für Forschungsinfrastrukturen als strategisches Instrument zur Vorbereitung forschungspolitischer Entscheidungen über künftige Forschungsinfrastrukturen etabliert. Im Rahmen des Roadmap-Prozesses wird der deutschen Wissenschaftsgemeinschaft Gelegenheit gegeben, sich mit ihren Ideen zu neuen komplexen Forschungsinfrastrukturen mit Investitionskosten von mindestens 50 Mio. Euro (bzw. 20 Mio. Euro in den Geistes- und Sozialwissenschaften) an dem Verfahren zu beteiligen. Die bis Mitte Januar 2016 eingereichten Konzepte durchlaufen einen anspruchsvollen und transparenten Begutachtungsprozess mit den Kernelementen einer wissenschaftsgeleiteten und einer wirtschaftlichen Bewertung.

Als Ergebnis wird bis 2018 mit der Aufnahme ausgewählter Projekte eine aktuelle Nationale Roadmap Forschungsinfrastrukturen entstehen. Sie wird zu einer noch besseren strategischen Ausrichtung von Forschung und Forschungsförderung beitragen und darüber hinaus weitere Vereinbarungen und Vernetzungen mit nationalen und internationalen Partnern ermöglichen.

Hierzu zählt insbesondere das Europäische Strategieforum für Forschungsinfrastrukturen (European Strategy Forum on Research Infrastructures, ESFRI), in dem seit 2002 europaweite Aktivitäten auf dem Gebiet der Forschungsinfrastrukturen und Großgeräte koordiniert und in einer ESFRI Roadmap gebündelt werden. In einem 2015 europaweit durchgeführten Verfahren wurde mit der Aktualisierung der ESFRI Roadmap 2016 der künftige Bedarf an paneuropäischen Forschungsinfrastrukturen eruiert, und es wurden Wege zur Implementierung binnen zehn Jahren aufgezeigt.

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Forschung an Großgeräten

Großgeräte der naturwissenschaftlichen Forschung sind komplex, kostenintensiv, von überregionaler, meist internationaler Bedeutung und häufig weltweit einzigartig. Die Förderung ist langfristig angelegt, da Planungszeiträume für den Bau häufig in Jahrzehnten gemessen werden. Dabei werden die Entscheidungen für Bau, Betrieb und Rückbau von Großgeräten der Grundlagenforschung gemeinsam mit internationalen – besonders europäischen – Partnern getroffen (siehe auch V 2 Deutschlands Rolle in Europa und V 3 Weltweite Zusammenarbeit).

Das BMBF unterstützt den Bau und Betrieb leistungsfähiger naturwissenschaftlicher Forschungsinfrastrukturen in Deutschland und Europa durch die institutionelle Förderung der Helmholtz-Zentren DESY, KIT, FZJ, HZG, HZDR und HZB und der gemeinsamen internationalen Forschungseinrichtungen CERN bei Genf, ESO in Garching sowie ESRF und ILL in Grenoble. In Deutschland werden die internationalen Großprojekte FAIR (Darmstadt) und European XFEL (Hamburg/Schleswig-Holstein) realisiert (siehe auch V 3 Weltweite Zusammenarbeit).

In internationaler Zusammenarbeit wird im südschwedischen Lund die europäische Spallationsquelle ESS entstehen. Mit der Cherenkov Teleskop Anlage (CTA) entsteht eine weitere internationale Forschungsinfrastruktur mit deutscher Beteiligung.

Zu den vom BMBF geförderten Großgeräten der naturwissenschaftlichen Grundlagenforschung gehören:

  • Großteleskope und Teilchendetektoren für den Blick ins Weltall,
  • Teilchenbeschleuniger mit Kollisionsexperimenten für die Suche nach den kleinsten Bausteinen (siehe auch Infobox Teilchenbeschleunigung mit Rekordenergie)
  • Licht- und Teilchenquellen (Neutronen, Ionen) als Nutzerplattform für die Materialforschung, Lebenswissenschaften und Energieforschung (siehe auch Infobox European XFEL [X-ray free-electron laser] – der europäische Röntgenlaser),
  • Forschungsflotte für die Meeres- und Polarforschung (siehe auch III 1.2 Nachhaltigkeit, Klima, Energie).

Teilchenbeschleunigung mit Rekordenergie

Nach dreijähriger Wartungsphase hat der weltgrößte Teilchenbeschleuniger Large Hadron Collider (LHC) am Europäischen Kernforschungszentrum CERN bei Genf im Mai 2015 eine neue Testphase begonnen. Mit einer Rekordenergie von 13 Teraelektronenvolt werden Protonen – positiv geladene Teilchen von Atomkernen – in einem 27 Kilometer langen Ringtunnel auf Kollisionskurs gebracht. Bei diesem Zusammenstoß entstehen aus den Protonen zahlreiche subatomare Bausteine, die mit dreidimensionalen Digitalkameras zur Messung von Elementarteilchen genau vermessen werden. Aus den Spuren der Kollisionsprodukte können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Aussagen über den innersten Aufbau der Materie treffen.

Mit der neuen Rekordenergie wird physikalisches Neuland betreten. Mit solch hoher Energie sind noch in keinem Beschleunigerlabor Protonen kollidiert. Damit beginnt die Suche nach der neuen Physik, also nach physikalischen Erkenntnissen, die über das bekannte Standardmodell der Elementarteilchen hinausgehen.

Mit dem LHC wurden in der ersten Betriebsphase bis 2013 alle Bausteine des Standardmodells der Teilchenphysik bestätigt und das lange gesuchte Higgs-Teilchen entdeckt. Peter Higgs und François Englert erhielten für diese Entdeckung im Jahr 2013 den Nobelpreis für Physik.

Das BMBF finanziert rund 20 % des Gesamthaushalts des CERN – 182 Mio. Euro pro Jahr. Zusätzlich fördert das BMBF über die Verbundforschung den Bau und die Entwicklung der Detektorkomponenten der Experimente am LHC. In der laufenden Förderperiode werden dafür pro Jahr rund 20 Mio. Euro für Universitätsgruppen zur Verfügung gestellt.

Deutschland verfügt speziell im Bereich Kernfusion im internationalen Vergleich über ein herausragendes wissenschaftliches Know-how. Mit Großgeräten wie dem Tokamak ASDEX Upgrade und dem seit Mai 2014 in der Betriebsvorbereitung stehenden 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 einmalige Infrastruktur für die Erforschung der Kernfusion zur Verfügung (siehe auch III 1.2 Nachhaltigkeit, Klima, Energie).

Das BMBF unterstützt die Gestaltung der Großgeräte durch deutsche Hochschulen mit der Verbundforschung. Deren Ziel ist es, zum einen die überregionale Zusammenarbeit von Hochschulgruppen im Verbund mit den Großgeräten zu stärken und die qualifizierte Nutzung der Großgeräte auch zukünftig durch die Gewinnung wissenschaftlichen Nachwuchses sicherzustellen. Zum anderen sollen Innovationsprozesse durch den Transfer von wissenschaftlich-technischen Grundlagenergebnissen in die praktische Anwendung forciert werden. Schließlich ermöglicht die Förderung innovativer Ansätze und Fragestellungen, das Potenzial neuer Großgeräte zu erkunden.

Verbundforschung erfolgte im Berichtszeitraum kontinuierlich für die Themen Elementarteilchenphysik, Hadronen- und Kernphysik, Erdgebundene Astrophysik und Astroteilchenphysik und zur Erforschung kondensierter Materie mit Photonen, Neutronen und Ionen.

European XFEL (X-ray free-electron laser) – der europäische Röntgenlaser

2017 wird der European XFEL in der Metropolregion Hamburg in Betrieb genommen. Er ermöglicht bislang unbekannte Einblicke in die Struktur der Materie durch den Einsatz kurzwelligen Röntgenlichts mit sehr hoher Energie. Dadurch können Moleküle abgebildet werden, die bisher für bildgebende Verfahren zu klein waren oder sich nicht fixieren ließen. Außerdem können Moleküle in chemischen Reaktionen gefilmt werden.

Im European XFEL werden Elektronen auf sehr hohe Energien beschleunigt und zur Aussendung von Röntgenlicht mit besonderen Eigenschaften angeregt. Die Wellenlänge dieses Röntgenlichts ist so klein, dass selbst atomare Details erkennbar werden. Sie kann zwischen sechs und einem Zehntel Nanometer variiert werden. Damit werden die technologischen Grenzen enorm ausgeweitet und neue Anwendungen und Erkenntnisse ermöglicht.

European XFEL ist ein im internationalen Verbund von 22 Nationen realisiertes Großprojekt. Die Baukosten für die erste Ausbaustufe der Anlage einschließlich sechs Messstationen belaufen sich auf maximal 1,08 Mrd. Euro. Davon trägt Deutschland knapp 600 Mio. und Russland als größter ausländischer Partner 250 Mio. Euro. Die übrigen Partnerländer steuern jeweils zwischen 4 und 40 Mio. Euro bei. Auch die beiden beteiligten deutschen Bundesländer Hamburg und Schleswig-Holstein liefern mit 65 und 25 Mio. Euro und der Bereitstellung der benötigten Grundstücke signifikante Beiträge.

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