Forschung
Wissenschaftler:innen stehen am Forschungszentrum Jülich umfangreiche hochspezialisierte Forschungsinfrastrukturen zur Verfügung. Einrichtungen wie die Helmholtz Nano Facility (HNF), das Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) oder das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) ergänzen einander und stehen als Infrastrukturen von Weltklasse auch externen Forschenden zur Verfügung.
In enger Zusammenarbeit mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft werden Methoden und Instrumente als Nutzereinrichtungen entwickelt, aufgebaut und betrieben. ESFRI (European Strategy Forum on Research Infrastructures) identifiziert strategisch und forschungspolitisch bedeutende Forschungsinfrastrukturmaßen für Europa. EBRAINS, die neue digitale Forschungsinfrastruktur des Human Brain Project (HBP), ist in die Roadmap 2021 aufgenommen worden. Jülich koordiniert zudem das ESFRI-Projekt EMPHASIS zur Pflanzenphänotypisierung sowie die bereits implementierten Projekte PRACE zum Verbund europäischer Superrechner und IAGOS zur Erforschung der Erdatmosphäre. Das Ernst Ruska-Centrum 2.0 und der deutsche Beitrag der Europäischen Forschungsinfrastruktur für Aerosol, Wolken und Spurengase (ACTRIS-D) wurden 2019 in die Nationale Roadmap aufgenommen.
Quadratmeter Reinraum der Klassen ISO 1–3 bietet die HNF
Die Helmholtz Nano Facility (HNF) ist eine europaweit einzigartige Forschungsinfrastruktur zur Erforschung, Herstellung und Charakterisierung von Nano- und atomaren Strukturen für die Informationstechnologie. Dazu stellt sie Wissenschaftler:innen Instrumente und Wissen zur Verfügung. Der Schwerpunkt der Arbeit an der HNF liegt im Bereich Quantum Computing, dessen Bauelemente auf den Gesetzen der Quantenmechanik beruhen und Qubits zum Rechnen benutzen.
Als State-of-the-Art-Reinraumfacility mit 1.000 m2 Reinraum der Klassen ISO 1–3 bietet die HNF Ressourcen in Produktion, Synthese, Charakterisierung und Integration von Strukturen, Geräten und Schaltungen.
2020, in Prozent
2020, in Prozent
Die Forschung innerhalb des Jülich Synchrotron Radiation Laboratory (JSRL) reicht von der Grundlagenforschung über die Materialwissenschaft bis hin zur Entwicklung von Gerätetechnik. Das JSRL bietet Photonen in einem breiten Energiebereich, von einigen eV bis zu 10 keV. Das JSRL ergänzt damit die Instrumente, die das JCNS an verschiedenen Neutronenquellen betreibt, und die Elektronenmikroskope des ER-C.
An den Synchrotronquellen DESY (Hamburg), ELETTRA-Synchrotron (Triest, Italien) sowie BESSY (Berlin) betreibt das Peter Grünberg Institut (PGI) modernste PhotoemissionsSpektroskope und Photoemissions-Elektronenmikroskope. Die Einrichtungen des JSRL bieten eine Plattform für Grundlagenforschung im Bereich der Nanoelektronik, technologische Entwicklungen und innovative Gerätekonzepte. In der anwendungsorientierten Forschung werden Ideen für technologische Innovationen, wie z. B. die Quantenrevolution in der Informationstechnologie, realisiert. Forschungsschwerpunkte liegen in den Bereichen Quantenmaterialien (Spintronik) und Energie.
2020
| Instrumentierung | interne Nutzer:in | externe Nutzer:in | ||
| DESY (Hamburg)1) | 80% | 20% | ||
| ELETTRA (Triest, Italien)2) | 33% | 67% | ||
| BESSY (BerliN) | 100% | - |
europaweite Einrichtungen zur Pflanzenphänotypisierung in der EMPHASIS-Datenbank
europäische Länder sind Mitglied der EMPHASIS Support Group.
transnationale Forschungsprojekte in EPPN2020 mit Wissenschaftler:innen aus 34 Ländern
Die European Infrastructure for Multi-Scale Plant Phenomics and Simulation for Food Security in a Changing Climate (EMPHASIS) ist eine gesamteuropäische, verteilte Infrastruktur für Pflanzenphänotypisierung. Hierbei wird das äußere Erscheinungsbild von Pflanzen, der Phänotyp, beispielsweise die Architektur von Wurzeln oder die Anzahl der Blätter, analysiert und vermessen. Der Aufbau der europäischen Infrastruktur wird am Jülicher Institut für Bio- und Geowissenschaften im Rahmen des EU-geförderten Projekts EMPHASIS-PREP koordiniert.
EMPHASIS unterstützt Wissenschaftler:innen dabei, Pflanzen in verschiedenen Umgebungen zu untersuchen, um eine effizientere Pflanzenproduktion in einem sich wandelnden Klima zu ermöglichen, eine zukünftige Nahrungsmittelsicherheit zu gewährleisten und eine nachhaltige europäische Agrarwirtschaft anzustoßen. Informationssysteme zur Datenerfassung und eine Plattform mit mathematischen Modellen werden auf europäischer Ebene durch EMPHASIS verknüpft. Wissen und neue Technologien werden geteilt und die wissenschaftliche Ausbildung unterstützt. So erhalten Forschende aus Europa beispielsweise Zugang zu den Einrichtungen des Jülich Plant Phenotyping Centre (JPPC).
EMPHASIS baut auf den EU-Forschungsinfrastrukturprojekten EPPN/EPPN2020 auf und wird das Portfolio an Phänotypisierungsinfrastrukturen erweitern, nationale Infrastrukturen integrieren und eine nachhaltige und langfristige Nutzung der Infrastrukturen gewährleisten.
Nutzerinnen und Nutzer
Projekte
Das Jülich Supercomputing Centre (JSC) stellt Wissenschaftleri:nnen am Forschungszentrum Jülich, an Universitäten und Forschungseinrichtungen in Deutschland und in Europa sowie der Industrie Rechenkapazität der höchsten Leistungsklasse zur Verfügung und unterstützt sie bei ihren Forschungsvorhaben. Es reagiert dabei kurzfristig auf neue Nutzeranforderungen wie den Einsatz von Cloud-Diensten oder künstlicher Intelligenz (KI), interaktivem Supercomputing oder der Entwicklung von Konzepten und Diensten für eine langjährige Datenkuration.1)
Seit Einführung der Top-500-Liste der schnellsten Supercomputer der Welt stehen die am JSC betriebenen Systeme stets auf einem der ersten 20 Plätze. Aktuell steht neben dem JURECA-System mit JUWELS das leistungsstärkste System Europas zur Verfügung, das im Jahr 2020 durch ein GPU-basierten Booster-Modul ergänzt wurde und damit eine Rechenleistung von 85 Billiarden Rechenoperationen pro Sekunde (85 Petaflops2)) bereitstellt. (Siehe S. 9 „Superschnell, supersparsam – JUWELS“). Eine wachsende Rolle beim Betrieb von Hoch- und Höchstleistungsrechnern spielt die Energieeffizienz (Flops pro Watt). Mit dem JUWELS-Booster steht in Jülich das energieeffizienteste System unter den 100 leistungsfähigsten Rechnern der Welt zur Verfügung. Es wird für ein großes Anwendungsspektrum eingesetzt, angefangen von Grundlagenforschung über Klima- und Materialforschung bis hin zu Lebens- und Ingenieurwissenschaften. Darüber hinaus waren 2020 mehr als 1.000 Nutzer:innen in kleineren Kooperationsprojekten mit dem JSC ohne formale Begutachtung auf den HPC-Systemen tätig. Etwa 10 Prozent der Nutzenden verbrauchen dabei ca. 90 Prozent der Ressourcen, da Jülich als nationales Höchstleistungsrechenzentrum vorrangig Großprojekte unterstützen soll.
von einem unabhängigen Expertengremium begutachtete Rechenzeitprojekte
| Deutschland | 1.200 | |
| Europa (ohne Deutschland) | 220 | |
| Länder außerhalb Europas | 80 |
anteilig, Stand November 2020
Das Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) betreibt Neutronenstreuungsinstrumente an Spitzenquellen in Deutschland, Europa und weltweit und bietet diese einer großen Nutzergemeinschaft an. Neutronen dienen als mikroskopische Sonden, um Forschung zu weicher und kondensierter Materie, Biowissenschaften und Energiematerialien durchzuführen. Neutronenforschung leistet wichtige Beiträge, um die großen gesellschaftlichen Herausforderungen zu bewältigen, etwa mit der Erforschung moderner Hochleistungsmaterialien für die Energiespeicher oder in der Umweltanalytik.
Das JCNS entwirft, baut und installiert mit seinen Partnern neue Instrumente an Neutronenquellen, beispielsweise für die Europäische Spallationsneutronenquelle ESS in Lund, Schweden, oder für eine zukünftige hochbrillante beschleunigergetriebene Neutronenquelle (HBS). Hier wurde 2020 mit der Veröffentlichung des „Conceptual Design Reports“, in dem der Aufbau und die Funktionsweise einer solchen Anlage beschrieben ist, ein wichtiger Meilenstein erreicht. 2020 startete außerdem das Helmholtz-Projekt „AI for Neutron and X-ray scattering“. Ziel ist es, Methoden und Algorithmen der künstlichen Intelligenz für Experimente mit Neutronen und deren Auswertung anzuwenden.
2020 in Tagen
| 1-3 Tage | 54% | |
| 4-7 Tage | 35 % | |
| 8-15 Tage | 11 % |
2020, in Prozent1)
2020, in Prozent 2)
Das Ernst Ruska-Centrum für Mikroskopie und Spektroskopie mit Elektronen (ER-C) ist die nationale Forschungsinfrastruktur für höchstauflösende Elektronenmikroskopie. Es wird vom Forschungszentrum Jülich und der RWTH Aachen gemeinsam betrieben. Mit den vom ER-C bereitgestellten und weiterentwickelten elektronenoptischen Instrumenten können Strukturen auf atomarer und molekularer Ebene untersucht und beschrieben werden. Mit PICO steht dafür im ER-C eines von weltweit nur zwei Elektronenmikroskopen zur Verfügung, die neben der sphärischen Aberration noch einen weiteren Linsenfehler korrigieren, die chromatische Aberration. Die daraus gewonnen Erkenntnisse helfen unter anderem, innovative Werkstoffe zu entwickeln.
Das ER-C schafft damit Anreize für Unternehmen, die sich mit neuartigen Werkstoffen und Technologien beschäftigen, sich im Rheinischen Revier anzusiedeln und zur Entwicklung einer Kompetenzregion für innovative Werkstofftechnologien und letztlich zum Gelingen des Strukturwandels beizutragen.
2020, in Prozent
2020, in Prozent
EBRAINS ist eine neue digitale Forschungsinfrastruktur, die im Rahmen des EU-finanzierten Human Brain Project (HBP) geschaffen wurde. Ziel ist, die Hirnforschung zu fördern sowie die Umsetzung der wissenschaftlichen Erkenntnisse auf diesem Gebiet in vom Gehirn inspirierten Innovationen in Computing, Medizin und Industrie. Dafür arbeitet die multidisziplinär ausgerichtete Neurowissenschaft eng mit den Entwicklern modernster Informationstechnologien zusammen und nutzt leistungsstarke Computer, um das stetig wachsende Wissen über das Gehirn aus verschiedenen Forschungsbereichen zusammenzufügen. Mit EBRAINS baut das HBP die Drehscheibe für diese Zusammenarbeit in Europa auf.
Als erste Forschungsinfrastruktur dieser Art weltweit bietet EBRAINS über ein Webportal Zugriff auf die bisher umfassendste Datenbasis zum menschlichen Gehirn sowie auf leistungsstarke digitale Werkzeuge, etwa für Simulation oder KI-basierte Analysemethoden. Die vom Jülich Supercomputing Centre koordinierten „EBRAINS Computing Services“ bilden die rechenstarke Grundlage von EBRAINS und ermöglichen es, Plattformen und Lösungen der verschiedenen EBRAINS-Dienste in komplexe Arbeitsabläufe zu integrieren. Auch der vom Jülicher Institut für Neurowissenschaften und Medizin erstellte extrem hochauflösende 3-D-Atlas des menschlichen Gehirns (siehe S. 11 „,Google Earth‘ des Gehirns“), speziell für Neurowissenschaftler:innen entwickelte Supercomputing-Verfahren und vom Gehirn inspirierte „neuromorphe“ Computer gehören zu den Angeboten.
Stand Februar 2021
koordiniert die Jülicher Beiträge zur europäischen Spallationsquelle ESS, (der weltweit stärksten Neutronenquelle)
bündelt die bildgebenden Verfahren der Neurowissenschaften und der Medizin
verbindet Infrastruktur und Expertise zu atomar auflösenden strukturbiologischen Methoden
Teilchenbeschleuniger und Speicherring (zur Erzeugung von Protonen- und Deuteronen-Strahlen)
zur Untersuchung von Prozessen in der Atmosphäre
mit Ultra-Hochfeld-Spektroskopie für die Strukturbiologie
zur Entwicklung von Membransystemen für neue energieeffiziente Technologien
für die Materialforschung im Bereich Energietechnologien
macht Daten aus der gesamten europäischen Erdsystemforschung über die European Open Science Cloud (EOSC) weltweit frei zugänglich
Technologielabor zum Forschungsspektrum Quantencomputing von Quantenmaterialien bis Quantencomputersystemen (siehe S. 83 „Ein Zentrum für die Quantenforschung“)
FOTO: Forschungszentrum Jülich/Marten Patt, TU München/Märkl, Dick, Häberle, Forschungszentrum Jülich
