Großgeräteinitiativen
Laufende Großgeräteinitiativen der DFG
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert im Rahmen dieser Großgeräteinitiative die Exploration klinisch relevanter Bildgebungsforschung mit hyperpolarisierten Kontrastmitteln für die metabolische Magnetresonanztomographie, um das wissenschaftliche Potenzial dieser Technologie in der Forschung zu erschließen.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert im Rahmen dieser Großgeräteinitiative vier neueste wissenschaftliche Instrumente, die an Bord des Forschungsflugzeuges HALO betrieben werden und bei künftigen Forschungsmissionen zum Einsatz kommen. Mit dieser Maßnahme werden die Einsatz- und Forschungsmöglichkeiten von HALO für neue wissenschaftliche Untersuchungen der Erdatmosphäre erweitert. Darüber hinaus fördert die DFG zwei Wing-Pods, die unterhalb der Flügel angebracht werden und den Einsatz geförderter und weitere Geräte außerhalb des Flugzeugrumpfes ermöglichen.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert im Rahmen dieser Großgeräteinitiative die Bereitstellung von Spin-basierten Quanten-Lichtmikroskopen an deutschen Universitäten, um das wissenschaftliche Potenzial dieser Technologie in der Forschung zu erschließen.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert im Rahmen dieser Großgeräteinitiative die Bereitstellung von Entwicklungsumgebungen für Quantenkommunikation an deutschen Universitäten, um das wissenschaftliche Potenzial dieser Technologie in der Forschung zu erschließen.
Die DFG fördert 4 Großgeräte zum Laser-Auftragschweißen (Laser Metal Deposition, LMD) auf dem Gebiet der Werkstoffforschung und –entwicklung. Gegenstand der Förderung ist die Finanzierung von neu verfügbaren LMD-Technologien, mit denen Hochdurchsatz-Untersuchungen von metallischen Legierungen oder Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen in Kombination mit der additiven 3D-Fertigung in neuartiger Weise durchgeführt werden können. Mit den bewilligten Anlagen soll eine vertiefte wissenschaftliche Untersuchung der dem Laser-Auftragschweißen zugrundeliegenden Prozesse sowie eine Evaluation dieser Technologie ermöglicht werden.
Die DFG fördert vier Messplattformen zur Erforschung photonischer, Millimeterwellen- und THz-Kommunikationssysteme bei der Übertragung massiv anwachsender Datenmengen mit immer höheren Datenraten. Die ständig steigende Nachfrage nach drahtloser Kommunikation mit ultrahoher Datenrate erfordert die Erschließung neuer Frequenzbänder im elektromagnetischen Spektrum. Die leistungsfähigen Plattformen ermöglichen die messtechnische Charakterisierung solcher Systeme und Subsysteme für ultrahohe Übertragungsraten entlang der gesamten Übertragungskette und erlauben die synchrone Zeit- und Frequenzbereichsanalyse von ultra-breitbandigen Kommunikationskanälen.
Die DFG fördert 13 neuartige experimentelle Lichtmikroskope in einer der am universellsten eingesetzten Technologien in der Forschung. Sie erlaubt nicht nur einen sehr genauen, vergrößerten Blick auf nicht unmittelbar sichtbare Strukturen, sondern auch die Erfassung von dynamischen Prozessen und unterschiedlicher stofflicher Eigenschaften bis hin zu einer gezielten Manipulation der untersuchten Objekte, Vorgänge und Organismen. Bei den bewilligten Mikroskopen handelt es sich um sehr verschiedenartige Geräte, wie Lattice Light Sheet Mikroskope, Minflux Mikroskope, Multiphotonen Mikroskope oder auch spezielle Systeme aus den Ingenieurwissenschaften.
Frühere Großgeräteinitiativen
Die folgenden Großgeräteinitiativen wurden als individuelle Ausschreibungen vor Einrichtung als reguläres Programm durchgeführt und sind größtenteils abgeschlossen.
Die DFG fördert in dieser Großgeräteinitiative das Projekt, eine Durchleuchtung von Tragwerken mittels Computertomografie (CT) bei einer gleichzeitigen mechanischen Belastung der Probe zu ermöglichen. Gegenstand der Förderung ist die Finanzierung eines Forschungsgroßgeräts, das die CT-Röntgenbildgebung innerhalb der Versuchseinrichtung zur Erzeugung der mechanischen Belastung ermöglicht und die derzeit im Bauwesen eingesetzten CT-Geräte im Hinblick auf die Größe der untersuchbaren Proben deutlich übertrifft.
Die DFG förderte in dieser Großgeräteinitiative an sechs Standorten die Erschließung, Anwendung und Weiterentwicklung der Röntgenmikroskopie zur Erfassung des Gefüges und der Elementverteilung von Materialien auf der Submikrometerskala. Die Förderung beinhaltete die Bereitstellung von hochauflösenden Röntgenmikroskopen zur Materialanalytik für die beschleunigte Materialentwicklung. Die Großgeräteinitiative zielte neben der allgemeinen Evaluation des wissenschaftlichen Potenzials durch einen Einsatz in Forschungsprojekten auch auf die Definition der Rahmenbedingungen für einen Betrieb dieser wenig verbreiteten Geräteklasse. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Perspektive eines Hochdurchsatzscreenings der Materialgefüge für die Materialentwicklung gerichtet.
An zwei Standorten (Erlangen und Halle) wurden besonders hochauflösende Geräte und begleitend eine laserbetriebene Anlage zur Probenvorbereitung installiert. An drei Standorten (Bremen, Dortmund und Hannover) wurden geringer auflösende Geräte in Betrieb genommen, welche ihrerseits durch neue Detektortechnologien, oder in situ Komponenten ergänzt wurden. An einem Standort (Saarbrücken) wurde statt eines kommerziell erhältlichen Geräts auf Basis eines Rasterelektronenmikroskops ein direktvergrößerndes Röntgenmikroskop neu aufgebaut. Alle Projekte beleuchteten zudem Aspekte der Entwicklung begleitender Modellierungs- und Auswerteverfahren.
In der Großgeräteinitiative fand eine Vernetzung der Standorte teilweise auch unter Einbindung weiterer in diesem Bereich aktiver Akteure statt, welche neben Abstimmungen zu Nutzungskonzepten und -regeln beispielsweise auch die Etablierung eines Round-Robin-Tests mit sich brachte.
Die wissenschaftliche Bewertung der Großgeräteinitiative, welche auf verfassten Abschlussberichten und einem Abschlusssymposium basierte, hielt fest, dass alle Projekte der Großgeräteinitiative hochinteressante wissenschaftliche Ergebnisse erzielten. Die Zielsetzung des Hochdurchsatzscreenings konnte aber nicht im ursprünglichen geplanten Umfang erreicht werden. Dies liegt zum Teil an technischen Limitationen der Geräte, wie der zu geringen Leistung der verbauten Röntgenquellen, die eine für Hochdurchsatz nicht hinreichend kurze Bildaufnahmezeit bedingen. Das Projekt aus Hannover stellt diesbezüglich allerdings eine gewisse Ausnahme dar, da Hochdurchsatz an diesem Standort durch geschickte Probenpräparationen und passendes Versuchsdesign erreicht werden konnte. Die Röntgenmikroskope wurden interdisziplinär auch für Dritte zur Verfügung gestellt, wobei die hohen Betriebskosten und der damit verbundene hohe Vorbereitungs- und Beratungsaufwand eine Herausforderung darstellen. Das Potenzial der Technologie, die mittlerweile eine größere Verbreitung gefunden hat, wurde durch die Förderung der DFG sichtbar ausgelotet. In der Gesamtschau wird die Großgeräteinitiative als sehr erfolgreich betrachtet.
Die DFG hat im Rahmen einer Großgeräteinitiative die Anschaffung zweier neuartiger Geräte bewilligt, die mit der Magnetresonanztomografie (MRT) und der bildgeführten Strahlentherapie eine vielseitige medizinische Bildgebungstechnik mit einer wirksamen modernen Krebsbehandlung kombinieren. Hybridgeräte für die magnetresonanz-geführte Strahlentherapie versprechen eine revolutionäre Weiterentwicklung der bildgestützten Bestrahlung. Die Förderung im Rahmen der Großgeräteinitiative schließt begleitende methodische Forschung parallel zu einem klinischen Einsatz ein.
Die DFG fördert in dieser Großgeräteinitiative Forschungsprojekte mit höchsten Anforderungen an mehrdimensionale Präzisionsmesstechnik mit der Möglichkeit der reproduzierbaren Ansteuerung, Manipulation und Fabrikation von großformatigen Nanostrukturen.
Die DFG fördert im Rahmen dieser Großgeräteinitiative die neue Bildgebungsmethode „Magnetic Particle Imaging (MPI)“. Präklinische Scanner wurden den Standorten Berlin und Hamburg zur Verfügung gestellt, um das Potential dieser neuen Technologie auszuloten und die Technik weiterzuentwickeln. In Hamburg wurde zu diesem Zweck eine dedizierte Professur eingerichtet, in Berlin erfolgt eine Kooperation mit Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), die im Bereich magnetischer Messtechniken ein Alleinstellungsmerkmal hat, und die Einbettung in einen Sonderforschungsbereich zur medizinischen Bildgebung.
Die Forschung mit den Geräten hat gezeigt, dass für eine routinemäßige Anwendung von MPI auf präklinische, oder langfristig auch klinische Forschungsfragen einerseits noch viele technische Hürden zu überwinden sind, andererseits auch noch viel unausgeschöpftes Potential in diesem Ansatz liegt, welches durch Methoden- und Geräteentwicklung exploriert werden kann. Sowohl in Deutschland als auch international entfalten sich neue Ansätze zur Nutzung von MPI in unterschiedliche Richtungen. Die beiden weltweit ersten kommerziellen Geräte, die von der DFG gefördert und inzwischen den Universitätsklinika übereignet wurden, waren und sind ein erfolgreicher Entwicklungskern dieser Forschungsrichtung.
Im Rahmen einer neuen Großgeräteinitiative fördert die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) die Entwicklung und Nutzung von bildgebenden massenspektrometrischen Verfahren (Mass Spectrometric Imaging, MSI) in den Lebenswissenschaften.
Diese Großgeräteinitiative betraf die Verknüpfung der Festkörper-NMR-Spektroskopie (NMR = nuclear magnetic resonance = Kernspinresonanz) mit der Technik des Dynamischen Kernpolarisationstransfers (dynamic nuclear polarisation, DNP). Die Universität Frankfurt, die TU Darmstadt und ein NRW-Universitätskonsortium vertreten durch die Universität Düsseldorf wurden je mit DNP-Ausrüstung ausgestattet. Das FMP Berlin, das MPI in Göttingen, das FZ Jülich und die TU München haben etwa gleichzeitig mit der DFG in die DNP-Technologie investiert.
Das DFG-DNP-Abschlusskolloquium im März 2018 in Bonn zeigte, dass Vorteile der verschiedenen DNP-Methoden, die seit langem erforscht und entwickelt werden, wie auch der spezifischen DNP-Festkörper-NMR-Technologie, die in der DFG-Großgeräteinitiative gefördert wurde, nicht einfach in Anwendungen umzusetzen sind. Gleichwohl sind stetig Verbesserungen zu beobachten und zu berichten, so dass ein Erfolg der Großgeräteinitiative zu konstatieren ist, auch wenn es nicht zu umwälzenden Neuerungen kam. Weiterhin kann festgestellt werden, dass durch die DFG-geförderten DNP-Geräte eine bessere Balance zwischen universitärer und außeruniversitärer DNP-Forschung erzielt wurde.
Im Rahmen ihrer aktuellen Großgeräteinitiative unterstützt die DFG die Anschaffung von drei innovativen 3-Tesla-Magnetresonanz-Positronenemissionstomographen (MR-PET) mit insgesamt über 11 Millionen Euro.
Die DFG hat in diesem Jahr den Einsatz von Prüfanlagen, die es erlauben, komplexe Leichtbaustrukturen aus Verbundwerkstoffen zu untersuchen, gefördert.
Zur Abdeckung des Bedarfs an höchstauflösenden massenspektrometrischen Untersuchungen im Bereich der Geo- und Umweltwissenschaften hat die DFG ein Hochleistungs-Beschleuniger-Massenspektrometer mit einer Terminalspannung von sechs Megavolt gefördert.
Insgesamt wurden vier Tomotherapiegeräte an Universitätskliniken bewilligt, um wesentliche Forschungsbeiträge zur Evaluierung der Möglichkeiten und Grenzen des Einsatzes der Tomotherapie sowohl aus medizinischer als auch aus medizin-physikalischer und radiobiologischer Sicht zu leisten.
Die Geräte wurden für unterschiedliche Tumorerkrankungen eingesetzt und sowohl technologisch als auch Outcome-bezogen auf die Eignung in der Strahlentherapie untersucht. Sowohl diese Studien als auch die internationalen Beiträge zu dem Thema haben dazu geführt, dass die Tomotherapie eine Spezialanwendung in dem Feld der sich rasch und vielfältig entwickelnden radio-onkologischen Methoden geblieben ist, und in der Folge nur eine kleine Anzahl von weiteren Installationen zu beobachten war.
Insgesamt wurden vier ultrahochauflösende und zwei ultraschnelle Systeme gefördert, die an verschiedenen Mikroskopiezentren aufgestellt wurden und dort auch zu 20% externen Nutzern zur Verfügung stehen werden.
Es wurden zwei Geräte bewilligt, die Nutzern für Forschungsarbeiten in der Materialwissenschaft, der Werkstofftechnik und Produktionstechnik zur Verfügung stehen.
Insgesamt fünf fMRT-Systeme wurden für medizinische Forscherteams bereitgestellt, vier davon mit der noch heute üblichen Magnetfeldstärke von 3 Tesla. Das eine 4-Tesla-Gerät ist ein Sonderfall geblieben, was angesichts des explorativen Charakters von Großgeräteinitiativen eine Bestätigung deren Wert zur Auslotung der Möglichkeiten darstellt. Die rasante Ausbreitung der Forschung mit 3-Tesla MRT-Scannern vor allem in den Neurowissenschaften hat gezeigt, dass die DFG einen Trend frühzeitig erkannt und gefördert hat. Auch 20 Jahre nach Start dieser Großgeräteinitiative sind 3-Tesla-MRTs weiterhin die Technologie der Wahl für funktionelle (Neuro)Bildgebung, wenngleich die Technik der Signalerzeugung und -detektion so enorme Fortschritte gemacht hat, dass heute Formen der Bildgebung möglich sind, die 2002 als reine Wunschträume gegolten hätten.
Es wurden u.a. zwei 20 Tesla und ein 19 Tesla Labormagnetsystem bewilligt, die nach Lieferung neue Arbeiten im Rahmen des Schwerpunktprogramms "Quantenhalleffekt" ermöglichen sollten. Die in dieser Großgeräteinitiative geförderte Leistungsklasse für supraleitende Hochfeld-Labormagnete ist nach wie vor der apparative Stand der Technik. Da die für bestimmte Untersuchungen notwendigen Magnetfeldstärken durch physikalische Gesetze bedingt sind, ist einerseits eine weitere Steigerung des Magnetfelds nicht zwangsläufig notwendig oder hilfreich. Andererseits bestimmen grundsätzliche und technische Limitationen der supraleitenden Magnete den Maximalwert, der nur mit unverhältnismäßigem Aufwand gesteigert werden könnte. Aktuell stehen Homogenität, Stabilität und Kombination mit tiefen Temperaturen und / oder optischem Zugang im Vordergrund.
Für Untersuchungen zur Struktur und Dynamik an Biomakromolekülen waren 1995 ein 750 MHz- und das seinerzeit weltweit erste 800 MHz-NMR-Spektrometer finanziert worden. Diese Aktion hatte vielfältige weitere Aktivitäten auf diesem Gebiet beflügelt, die neben einer breiten Streuung weiterer vergleichbarer Systeme in den Folgejahren (finanziert v.a. durch HBFG) u.a. im Jahr 1999 die Bewilligung zweier 900 MHz NMR-Systeme durch die DFG zur Folge hatten.
Im Jahr 2005 wurden die Auswirkungen dieser Förderung evaluiert. Die internationalen Experten bezeichneten das Niveau der deutschen NMR-Forschung einhellig als international konkurrenzfähig. Als Voraussetzung hierfür wurden die beiden von der DFG geförderten 900 MHz-NMR-Spektrometer genannt. Besonders wichtig sei die NMR-Technik in der biologischen Forschung, in der die Höchstfeld-NMR oftmals die einzige Möglichkeit darstellt, sich einem Problem zu nähern.
Im Rahmen dieser größeren, auch unter strukturellen Gesichtspunkten durchgeführten Aktion sind mehrere Dutzend Massenspektrometer (v.a. MALDI, ESI, FT-ICR) für diverse Forschungsvorhaben in den Lebenswissenschaften zur Verfügung gestellt worden.
Mit rund 13 Millionen Mark hat die DFG acht Hochleistungs-Elektronenmikroskope, darunter auch drei Subångström-Transmissions-Elektronenmikroskope (SATEM), mit denen eine bislang unerreichte Auflösung erzielt werden kann, gefördert.
Drei kommerzielle W-Band-Spektrometer (95 GHz) sowie der Aufbau eines 360 GHz-Gerätes konnten für Elektronenspinresonanz-Experimente bewilligt werden. Diese Aktion erwies sich als Keimzelle eines sich anschließenden DFG-Schwerpunktprogramms SPP 1051 "Hochfeld-EPR in Biologie, Chemie und Physik", welches von 1998 bis 2005 lief. Ein weiteres DFG-Schwerpunktprogramm zum EPR-Thema wurde von 2012 bis 2020 gefördert: SPP 1601 „New frontiers in sensitivity for EPR spectroscopy: from biological cells to nano materials“. Es ist somit eine nachhaltige Förderung wahrnehmbar.
Weitere gerätebezogene Initiativen
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert im Rahmen dieser Ausschreibung standortweite oder ortsübergreifende Konzepte für die Bereitstellung von Diensten für das Performance Engineering wissenschaftlicher Software.
Simulationen treten in einer zunehmenden Zahl von Wissenschaftsgebieten als dritte Säule des Wissenserwerbs neben die Theorie und das Experiment. Hochwertige IT-Infrastrukturen und deren effiziente Nutzung werden deshalb noch mehr als bisher zu einer notwendigen Bedingung für wissenschaftlichen Erfolg. Vielerorts werden Codes eingesetzt, die man als akzeptabel klassifizieren kann, weil sie fachlich korrekt zu einem wissenschaftlichen Ergebnis führen. Hinsichtlich der effizienten Nutzung der Ressourcen liegen aber oft massive Defizite vor. Häufig werden wesentlich zu große Rechner-Ressourcen verbraucht und damit die eigenen wissenschaftlichen Fragestellungen aufgrund der akzeptierbaren Rechenzeiten beschnitten, andere Projekte im Wettstreit um begrenzte Hochleistungsrechner-Ressourcen behindert und die realen IT-Kosten pro wissenschaftlicher Erkenntnis erhöht. In dieser Situation sind vermehrt Anstrengungen in der Softwareentwicklung und Programmoptimierung (Performance Engineering) nötig, um die hohen Investitionen für Hochleistungsrechner für möglichst viele Anwendungen kosteneffizient nutzen zu können.
Im Rahmen dieser Ausschreibung wurden 14 Anträge eingereicht, 6 davon werden mit einem Volumen von insgesamt 4 Mio. Euro gefördert.
Weitere Informationen zu den Schwerpunkten der Großgeräteförderung der DFG seit Gründung im Jahr 1951 finden Sie hier: