Einige Forscher in weißen Kitteln stehen um eine Anordnung von Kabeln und diskutieren.

Geschichte der Verbundforschung

Grundlagenforschung ist notwendig – leider aber auch teuer! Denn je weiter die Wissenschaft voranschreitet, je kleiner die Strukturen sind, die erforscht werden, je tiefer der Blick ins Universum dringt, je komplexer die Fragestellungen werden – desto größer und leistungsfähiger müssen die Instrumente werden, um wissenschaftliches Neuland betreten zu können.

Die Forschung mit Großgeräten ist keine Erfindung unserer Tage: Bereits im 16. Jahrhundert stellte die dänische Krone dem Astronomen Tycho Brahe die ganze Insel Ven samt Observatorium und nahezu unbegrenztes Kapital zur Verfügung. Das zeigte Erfolg: Brahes präzise Messungen von Sternpositionen öffneten die Tür zur modernen Astronomie.

Auf der Zeichnung ragen einige Kuppeln aus dem Erdboden. Ein Astronom steht an einem Instrumet und beobachtet den Himmel.
Sternwarte Stjerneborg

Die europäischen Großgeräte der Wissenschaft sind ein wesentlicher Bestandteil der Forschungslandschaft. Sie bilden die Infrastruktur für zentrale Forschungsfragen. Durch ihre geballte experimentelle Kraft schaffen sie Möglichkeiten für die Grundlagenforschung, die internationale Maßstäbe setzen. Gerade deshalb stellt sich immer wieder die Frage, wie das Potenzial der Großgeräte am besten genutzt werden kann, wie es sich wissenschaftlich amortisiert.

Eine Antwort darauf ist die Verbundforschung – die Projektförderung naturwissenschaftlicher Grundlagenforschung an Großgeräten durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Der Förderungsansatz der Verbundforschung zielt darauf ab, hervorragende Wissenschaftler deutscher Universitäten mit den Großgeräten zusammenzubringen, damit sie dort innovative Instrumente für den wissenschaftlichen Betrieb aufbauen können.

Von diesem Verbund von Universitäten und Großgerätebetreibern profitieren alle Beteiligten: Den Wissenschaftlern stehen die Maschinen zur Verfügung, die man für die Beantwortung zentraler Fragen in der Physik sowie anderer Naturwissenschaften braucht, und die Großgeräte werden durch die Projekte der Verbundforschung ständig weiterentwickelt. Denn ein Beschleuniger, eine Neutronenquelle oder ein Teleskop sind natürlich keine innerhalb weniger Jahre fertiggestellten Forschungsanlagen, sondern dynamische Geräte, die an neue physikalische Fragestellungen mit innovativen Weiterentwicklungen angepasst werden.

Möglichkeiten der Großgeräte ausschöpfen

Genau diese treibende Funktion nimmt ganz wesentlich die Verbundforschung wahr. Die wissenschaftlichen Zentren holen sich zusätzliches Know-how in ihre Experimentierhallen, das stark an den Bedürfnissen der Nutzer orientiert ist, weil es von den Universitäten stammt. Die Förderung von Themen in der Verbundforschung, die eng mit einer Instrumenten- oder Methodenentwicklung zusammenhängen, führt zu einer ständigen Steigerung der Leistungsfähigkeit der Großgeräte. Die Zentren erweitern dadurch ihr Leistungsspektrum, ohne dass sie auf allen Forschungsgebieten gleichermaßen Expertise anbieten müssen.

Mit dem Mittel der Verbundforschung führt das BMBF also die besten Forscher aus Deutschland an den Großgeräten zusammen, um die Möglichkeiten dieser Geräte voll auszuschöpfen. Sie fördert den regen und fruchtbaren Austausch zwischen den Betreibern der Großgeräte und der externen Nutzergemeinde, der zur Konzeption neuartiger Experimente und zur Entwicklung innovativer Instrumente und Forschungsmethoden führt.

Historisches Foto einer großen Baustelle mit zahlreichen Kränen
1971: Der Speicherring DORIS im Bau

Beim Stichwort Großgeräte denken die meisten vermutlich an die großen Beschleuniger und Detektoren der Elementarteilchenphysik. Historisch entstand die Verbundforschung jedoch in den 1950er-Jahren mit der Gründung des Bundesministeriums für Atomfragen, das von Anfang an Aufgaben im Bereich der Förderung der nuklearen Grundlagenforschung an sich zog. Sie hatte zunächst zum Ziel, Deutschlands Rückstand auf diesem Gebiet seit dem Ende des Zweiten Weltkriegs aufzuholen.

Sehr bald kamen weitere Themen der Grundlagenforschung hinzu. In den 1960er-Jahren führte die vor allem durch die Hochenergiephysik vorangetriebene Konzentration um wenige Großgeräte dazu, den Begriff Verbundforschung zu prägen und das Konzept einer engen Verzahnung zwischen Zentren und Nutzern einzuführen. Dann wurde deutlich, dass auch die Neutronenforschung Großgeräte braucht und dass man mit der Synchrotronstrahlung aus den Teilchenbeschleunigern hervorragende Wissenschaft betreiben kann.

Ende der 1980er-Jahre schließlich erfasste der Trend zu immer größeren Anlagen auch die Astrophysik, sodass wir heute eine vielfältige Großgerätelandschaft vor uns haben. Die Verbundforschung fördert technische Innovationen, die immer von wissenschaftlichen Fragestellungen getrieben sind. Ausgehend von einer Forschungsidee, stellt sie universitären Gruppen die Mittel zur Verfügung, sich die entsprechende Technologie am passenden Großgerät aufzubauen.

Da sich diese Entwicklungen immer an der Grenze des technisch Machbaren abspielen, weiß die Verbundforschung um den langen Atem, den es von der ersten Idee bis zum fertigen Standardinstrument braucht – Wissenschaft an Großgeräten lässt sich nicht mit Instrumenten von der Stange betreiben. Typisch für die Verbundforschung ist deshalb, dass sie über die dreijährige Förderperiode, die sich im Wesentlichen an der Länge einer Doktorarbeit orientiert, hinaus auch neue Ideen fördert, wie diese Instrumente noch weiter verbessert werden können.

Nachwuchs für die Wissenschaft

Wie lange die gesamte Entwicklung eines Instruments braucht, ist von Forschungsgebiet zu Forschungsgebiet sehr unterschiedlich. In der Neutronenstreuung sind beispielsweise sechs Jahre bis zum Routinebetrieb typisch – die erste Förderperiode für den Aufbau des Instruments, die zweite für die Optimierung –, die Entwicklung eines Detektors in der Teilchenphysik misst sich hingegen in Jahrzehnten.

Aus Sicht der Wissenschaftler in den Projekten der Verbundforschung bietet sich an den Großgeräten der Zentren die einmalige Chance, sich die optimale, für die Forschung maßgeschneiderte Instrumentierung aufzubauen. Ihre Arbeit ist nur der wissenschaftlichen Fragestellung verpflichtet. Dadurch bieten sich ihnen ganz andere Möglichkeiten als in der Industrie.

Ein Mensch hockt vor einer sehr großen, zylinderförmigen technischen Apparatur mit einer Vielzahl von Einzelkomponenten, Kabeln und so weiter.
Der innere Spurdetektor von ATLAS

Da an den Projekten zahlreiche Doktoranden beteiligt sind, ist dieses Fördermittel eine effiziente Nachwuchsförderung, von der auch die Zentren enorm profitieren. Die jungen Wissenschaftler wiederum lernen in den Projekten Methoden und Strategien zur Lösung komplexer Probleme kennen, was sie auch andere Herausforderungen erfolgreich angehen lässt – wer einen Detektor wie ATLAS baut, kann auch in der Industrie komplexe technologische Fragestellungen bewältigen.

Die Großforschungsgeräte ermöglichen mit ihren Anlagen nicht nur exzellente Forschung, sondern schaffen auch eine breit gefächerte Ausbildungslandschaft. Beim DESY beispielsweise können junge Menschen verschiedene gewerblichtechnische, aber auch kaufmännische Berufe erlernen. Wenn sich auch niemals vorher abschätzen lässt, welche Ergebnisse sich bei einem Forschungsprojekt ergeben werden, so hat die Vergangenheit doch gezeigt, dass neue Großgeräte und neue Instrumente in aller Regel einen bedeutenden Erkenntnisfortschritt mit sich brachten. So wird es auch in Zukunft sein – Schritt für Schritt lernen wir mehr über die Natur.