KV Grundlagenwissenschaften

Grundlagenwissenschaften mit Anwendungsbezug

Als Carl-Zeiss-Stiftung haben wir uns das Ziel gesetzt, Freiräume für wissenschaftliche Durchbrüche zu schaffen. Aber nicht nur das. Getreu unserem Motto: "Zukunft sichern. Wissenschaft fördern. Innovative Anwendungen ermöglichen" haben wir im vergangenen Jahr die Chance genutzt, große thematische Verbünde zu fördern, die von internationalen Gutachter/innen ausgewählt wurden.

Es wurden fünf Projekte identifiziert, die im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder die erste Stufe des hochkompetitiven Begutachtungsverfahrens der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) zum Zeitpunkt der Bewilligung erfolgreich durchlaufen hatten und sich neben internationaler Exzellenz in der Forschung vor allem durch einen Anwendungsbezug auszeichnen.

Folgende Projekte werden über einen Zeitraum von fünf Jahren mit einem Fördervolumen von acht bis zwölf Millionen Euro gefördert:

Albert-Ludwigs-Universität Freiburg: Materialsysteme

Das Institut für Nachhaltige Technische Systeme (INATECH) der Universität Freiburg baut mit Mitteln der Carl-Zeiss-Stiftung ein Kompetenzzentrum für die Entwicklung funktionaler Materialsysteme auf.
 
Funktionale Materialsysteme der Zukunft bestehen aus synthetischen Grundmaterialien – beispielsweise künstlich gezüchtete Halbleiterkristalle oder Faserverbundwerkstoffe –, deren Eigenschaften und Verhalten von ihrer inneren Struktur bestimmt werden. Die Besonderheit des Freiburger Forschungskonzepts ist, dass die Wissenschaftler/innen diese Materialsysteme auf unterschiedlichen Größenmaßstäben und während unterschiedlichen Zeitspannen betrachten. Sie bestimmen die mechanischen und strukturellen Eigenschaften, indem sie physikalische Grundlagenforschung auf atomistischer Ebene, werkstoffwissenschaftliche Untersuchungen im Mikro- und Millimetermaßstab sowie anwendungsbezogene Forschung anhand von großformatigen Bauteilen miteinander verbinden. Für diese Untersuchungen wird eine ineinander verzahnte Kette von modernsten Prüf- und Analysetechniken entwickelt und aufgebaut. Mit dieser kann beispielsweise der Einfluss von Prozessparametern im 3D-Druck von metallischen Strukturen untersucht werden. In solche Strukturen werden kontrolliert Defekte eingebracht und deren Auswirkungen wird beobachtet, was es wiederum ermöglicht, robustere und zuverlässigere Materialsysteme zu schaffen. Anwendungen neu entwickelter Materialsysteme finden sich insbesondere in der Verkehrs-, Energie- und Medizintechnik – etwa in Windkraftrotoren, Batterien für Elektroautos oder maßgeschneiderten Implantaten.
 

Friedrich-Schiller-Universität Jena

Interaktionen von Mikroorganismen untereinander, mit anderen Lebewesen und ihrer Umwelt sind für die Funktion aller Ökosysteme, ein stabiles Klima sowie das Wohlergehen von Pflanzen, Tieren und Menschen von essentieller Bedeutung. Gestörte Balancen können Krankheiten, Wetterextreme und Ernteausfälle verursachen und Ökosysteme zerstören. Für die Erforschung des dynamischen Gleichgewichtes mikrobieller Gemeinschaften von der molekularen Ebene bis hin zu komplexen Ökosystemen und die dafür nötige Entwicklung neuer Technologien ist die enge Zusammenarbeit von Mikro-biologie, Chemischer Biologie, Infektionsbiologie, Medizin, Ökologie, Optik/Photonik, Materialwissenschaften, Bioinformatik und Angewandter Ethik erforderlich.
 
Die Förderung der Carl-Zeiss-Stiftung versetzt die Friedrich-Schiller-Universität (FSU) in die hervorragende Lage, die Qualifizierung des wissenschaftlichen Nachwuchses an den neuen trans- und interdisziplinären Erfordernissen auszurichten. Aufbauend auf den etablierten Graduiertenschulen Jena School for Microbial Communication, Jena School of Molecular Medicine, Abbe School of Photonics und Max Planck School of Photonics wird unter dem Dach der bundesweit für ihre hohe Qualität in der Nachwuchsqualifizierung bekannten Jenaer Graduierten-Akademie eine neue Kooperationsstruktur geschaffen. Sie organisiert die internationale Rekrutierung von Nachwuchswissenschaftlern/innen dieser Bereiche sowie deren interdisziplinäre Betreuung und Qualifizierung.
 
Die „Jena Alliance Life in Focus – A Carl Zeiss Foundation Project“ stärkt die FSU in ihrer strategischen Zielsetzung, über die Verbindung der beiden großen Jenaer Forschungsschwerpunkte Life Science und Optics/Photonics eine internationale Alleinstellung zu erlangen.

Karlsruher Institut für Technologie / Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg: 3D Designer Materialien

Das Cluster 3D Matter Made to Order, in dem Wissenschaftler/innen aus den Natur-, Ingenieur- und Lebenswissenschaften zusammenarbeiten, hat das Ziel, digitale 3D additive Fertigungstechniken auf allen Größenskalen zu realisieren und anzuwenden. Es ist in drei ineinandergreifende Forschungsfelder gegliedert: Im zentralen Forschungsfeld „Technologien“ werden neuartige Werkzeuge und Prozesse erforscht und entwickelt, deren Ziel es ist, feinere Strukturen (bis 10 nm) und viele unterschiedliche Materialien drucken zu können sowie insgesamt schneller zu drucken. Die hierfür benötigten neuartigen „molekularen Tinten“ werden im Forschungsfeld „Molekulare Materialien” synthetisiert. Das dritte Forschungsfeld „Applikationen“ ist der Erforschung der Anwendungsmöglichkeiten gewidmet, wobei der Fokus auf drei Schlüsselapplikationen liegt: Im Bereich Optik & Photonik wird 3D optische Verbindungstechnik für die ultrabreitbandige Informationsverarbeitung mittels optischer Chips entwickelt. Auf dem Gebiet der 3D Metamaterialien werden maßgeschneiderte künstliche Materialien entwickelt, die ein breites Spektrum an so in der Natur nicht vorkommenden Eigenschaften aufweisen. Im dritten Schwerpunkt verfolgt man die Herstellung molekular funktionalisierter 3D Mikrogerüste, anhand derer sich die Stammzelldifferenzierung und Gewebeorganisation zielgerichtet steuern lässt.
 
Die Förderung der Carl-Zeiss-Stiftung umfasst dabei folgende vier Maßnahmen, die die Strahlkraft des Clusters erhöhen sollen:
    „Stipendienprogramm der Carl-Zeiss-Stiftung“ zur Rekrutierung international exzellenter Doktoranden/innen
    „3D Additive nano-Manufacturing User Laboratory der Carl-Zeiss-Stiftung“
    „Vision Assessment Study der Carl-Zeiss-Stiftung“ vom Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (KIT) durchgeführt
    „Professorship der Carl-Zeiss-Stiftung“ am Center for Advanced Materials der Universität Heidelberg

Universität Stuttgart / Universität Ulm: Quantenwissenschaften (TQuant)

In den kommenden bis zu sechs Jahren wird die Carl-Zeiss-Stiftung die Aktivitäten der interdisziplinären Forschergruppe, die bereits im gemeinsamen, standortübergreifenden Zentrum für Integrierte Quantenwissenschaft und –technologie IQST gebündelt sind, fördern. Die Physiker, Ingenieure, Lebenswissenschaftler sowie Mathematiker und Experten/innen aus weiteren Fachdisziplinen wollen die Gesetze der Quantenmechanik für innovative biomedizinische Anwendungen nutzen. Konkret arbeiten sie unter anderem daran, bildgebende Verfahren wie die Magnetresonanztomographie zu optimieren und hochleistungsfähige Sensoren zu entwickeln.
 
In der Quantentechnologie sind die drei Partner, die Universitäten Ulm und Stuttgart sowie das Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (Stuttgart), schon jetzt führend. Beide Standorte verfügen über eine hervorragende Infrastruktur, in der international renommierte Forscher/innen tätig sind. Besonders im Bereich der Quantensensorik verfügt das IQST über ein translationales Konzept – durch die weit fortgeschrittene Anwendungsnähe ist das Zentrum international führend. Insbesondere wird diese angewandte Forschung im Verbund mit industriellen Partnern verfolgt und findet in den neuen Forschungsgebäuden ZQB (Zentrum für Quanten-Biowissenschaften, Ulm) und ZAQuant (Zentrum für Angewandte Quantentechnologie, Stuttgart) exzellente Infrastruktur und Rahmenbedingungen vor. Gleiches wird für das neu in Ulm einzurichtende DLR-Zentrum für die Erforschung und Entwicklung von Quantentechnologie in Raumfahrtanwendungen (DLR-QT) gelten, welches mit substantieller Unterstützung von Hochtechnologieunternehmen Baden-Württembergs (u.a. Carl Zeiss AG) eingeworben wurde. An diesem neuen DLR-Zentrum werden experimentelle Arbeiten und Entwicklungen auf den Gebieten der Quantensensorik, Quantenkommunikation und Atominterferometrie unter Schwerelosigkeit durchgeführt.

Eberhard Karls Universität Tübingen: Maschinelles Lernen

In jüngster Zeit wurde der Forschungsbereich „Maschinelles Lernen“ an der Universität Tübingen zu einem zentralen Forschungsschwerpunkt ausgebaut. Im Herbst 2018 wurde das vom BMBF geförderte Kompetenzzentrum für maschinelles Lernen „Tü AI Center“ eingerichtet, welches auf Anwendungsbereiche maschineller Lernverfahren fokussiert. Seit dem 1. Januar 2019 wird das neue Exzellenzcluster „Maschinelles Lernen: Neue Perspektiven für die Wissenschaft“ gefördert, welches das Ziel verfolgt, das volle Potenzial des maschinellen Lernens für die Wissenschaft zu erschließen. In diesem Kontext soll nun ein „Carl-Zeiss-Stiftungs-Labor für maschinelles Lernen“ (Arbeitstitel) an der Universität Tübingen eingerichtet werden.

Im Forschungsgebiet des maschinellen Lernens werden Algorithmen entwickelt, die selbständig lernen, komplexe Zusammenhänge in großen, unübersichtlichen Daten zu erkennen. Anwendungsbereiche solcher intelligenten Techniken sind allgegenwärtig, z. B. im Bereich medizinischer Diagnoseverfahren oder selbstfahrender Autos. Der Erfolg des Maschinellen Lernens in den letzten Jahren beruht neben der Weiterentwicklung von technischen Verfahren („Deep Learning“) vor allem auf der Verfügbarkeit großer Datensätze und der Weiterentwicklung von Hardware-Komponenten für paralleles Rechnen. Die Herausforderung in der Zukunft besteht darin, maschinelles Lernen auf komplexe Systeme und kontinuierliche Prozesse zu übertragen. Im Anwendungsfeld selbstfahrender Autos wird nicht mehr mit einem festen Eingangsdatensatz gearbeitet, sondern mit einem kontinuierlichen Datenstrom, welcher für eine permanente Selbstoptimierung des lernenden Systems verwendet wird. Solche Fragestellungen sollen im „Carl-Zeiss-Stiftungs-Labor für maschinelles Lernen“ untersucht werden.
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