轻量化|亥姆霍兹国家研究中心联合会调研报告

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更新时间 : 2022-09-12 22:09:19
轻量化|亥姆霍兹国家研究中心联合会调研报告

背景    
         中国(德国)研发创新联盟自成立以来,一直努力促进中德两国科技创新交流与合作。在迎来中德两国建交50周年和联盟轻量化专委会成立之际,联盟正式推出《联盟调研》。《联盟调研》通过系统地介绍德国国家科学与工程院(acatech)、马克斯•普朗克学会(MPG)、亥姆霍兹国家研究中心联合会(HGF)、弗劳恩霍夫应用研究促进协会(FhG)和莱布尼茨科学联合会(WGL)五大骨干德国国家科研机构,了解德国创新思维、创新理念、创新技术、创新团队和创新成果,更进一步推进中德两国的科技创新合作。
亥姆霍兹国家研究中心联合会概览

       亥姆霍兹国家研究中心联合会(以下简称联合会)的国家实验室源于20世纪50年代末成立的数个核技术、核能研究为代表的大科学装置和研究中心,1995年冠名为亥姆霍兹国家研究中心联合会。2001年正式注册登记成为拥有专职主席和自主项目管理职能的机构。
       脱身于松散的“大科学中心联合会AGF”,联合会从自发的内部松散联盟变成有自主决策权的法人实体。其背景是德国的科研体系改革以及更有效地使用政府科研经费的任务需求。该联合会进一步明确了以国家长期性科研任务目标为导向、以国家大科学工程为核心的科研特点,强调服务于经济和社会的应用基础研究。它的成立和运行,主要是打破了过去各法人科研中心的框架,也突破了政府部门主导科技经费管理的模式;它在全联合会内部实施科研人员自己主导的5年科技任务规划和研究内容、并根据计划内容的国际竞争力而配置国家拨款的科研经费。
       联合会的科研活动集中在六个主要研究领域:能源、地球与环境、生命科学、信息技术、航空、航天及运输和物质。在这6个研究领域中,联合会的科学家们不仅互相合作,他们还跨学科、跨机构、跨国界的与联合会以外的科学家进行合作。事实上,“亥姆霍兹”这个名字就代表着合作研究,其重要原则就是理论与实践的交流与合作,在此原则指导下进行的科研活动是高效并且十分灵活的。亥姆霍兹的科研活动为人类社会未来的可持续发展提供了可靠的保证。联合会将19个科学技术和生物医学研究中心联合起来,拥有超过43,000名员工,年度预算超过50亿欧元,是德国最大的科研机构。

       联合会的研究实践活动始终秉持以下使命进行:

  • 塑造明天的世界。联合会为这个时代的重大问题提供答案,并为未来开发解决方案。坚持在能源、地球与环境、生命科学、信息技术、物质结构和航空运输六个领域进行研究。
  • 以拥有明确重点的网络方式工作。联合会的总体研究计划连接了 18 个研究中心,合作伙伴是来自德国和国外的领先专家和机构。独立专家审查联合会的长期研究计划。他们的判断决定了联合会是否以及如何使用资金。
  • 向社会传播我们的知识。联合会的研究人员采用整体方法应对复杂挑战:他们从事基础研究,但也迅速将创新解决方案付诸实践。将联合会的知识免费提供给公众以及来自科学和工业的相关方。
  • 依靠尖端技术。联合会开发和运营世界上独一无二的大型设备和测试设施网络。它对来自世界各地的科学家开放。
  • 在全球范围内推广人才。联合会的员工构成了我们前沿研究的基础。联合会支持他们在科学发展的每个阶段。多元化、平等机会以及事业和家庭的相容性对联合会来说是理所当然的事情。

研究领域详情解析       

1. 能源

       通过从基本原理到所有学科应用的前沿研究,联合会正在为在经济和社会上可行的气候中和能源供应创造科学条件。

       能源转型是当今社会面临的主要挑战之一。为了应对气候变化,科学家们需要开发高效的技术和流程,让人们以安全、可靠和负担得起的方式生产、使用和分配能源,这需要将实验室结果迅速转化为实践的科技创新。联合会通过在其中心进行顶层的研究,为在经济和社会上可持续的气候中性能源供应创造科学基础,科学家致力于跨学科研究项目,为德国的能源转型开发可行的解决方案,以及重组全球能源供应的可持续方法。

       联合会在能源方面的研究,正在帮助世界塑造未来的能源系统,作为一名科学建筑师,联合会设计包含所有相关能源转换链的整体概念,并探索安全、面向未来的技术。亥姆霍兹能源转型路线图 (HETR)强调了重组能源系统的方法,使人们能够以有效的方式为社会、政策制定者和企业提供建议和支持。联合会科学家正在为电力、热力和移动性相互关联的跨部门能源系统创建解决方案。该系统被称为“部门耦合”,将太阳能或风能产生的电力尽可能灵活高效地转换为其他形式的能源,从而可用于供热、运输和工业过程。这是人类能够充分增加整个系统中可再生能源份额的唯一方法。这代表着能源系统的根本性重组,需要创新技术来实现它。联合会研究和开发这些技术的目标是从可再生能源中储存和运输能源,以及在工业过程中替代化石能源。氢技术就是一个例子。

       除了存储和分配能源的新技术外,智能网络对于未来能源系统的安全、优化能源组合和弹性运行必不可少。这使得人工智能领域的数字技术、算法和方法成为联合会在能源研究领域工作的关键组成部分。例如,它们可以帮助我们检测过剩和需求发生的时间、地点和程度,并能够模拟、优化和规划未来的网络,并以安全的方式运行它们。

       联合会还在进行可控核聚变研究,作为未来安全、气候中性能源生产的进一步选择。尽管德国计划在2022年之前关闭最后一座核电站,但核安全研究仍然是一个关键话题,因为在拆除核电站以及放射性废物的处理和储存方面仍有许多问题需要解决。联合会正在通过投资该领域的研发来做出回应。一个特殊的挑战是验证最终存储库在 100 万年期间的安全性,而这只能在深入的科学知识和数据的基础上实现。

       能源研究领域与所有其他亥姆霍兹研究领域就与其数字化和材料研究战略相关的事宜进行合作。在跨领域活动的背景下,它与其他研究领域建立了进一步的合作伙伴关系,例如在“生物经济遇上能源”、地热能、核储存库研究、辐射研究和“部门耦合能源与流动性”等主题上。合作伙伴确定联合研究主题并利用协同效应在这些领域进行研究。

研究主题:
  • 能源系统设计
  • 能源转型的材料和技术
  • 耦合
  • 核废料管理、安全和辐射研究
参与的亥姆霍兹中心:
  • 德国航空航天中心(DLR)
  • 于利希研究中心(FZJ)
  • 亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)
  • 亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心(HZDR)
  • 卡尔斯鲁工业大学(KIT)

参与的联合研究中心:

  • 马克斯普朗克等离子体物理研究所(IPP)
     

2. 地球与环境

       气候变化、物种灭绝、环境污染以及技术社会对自然灾害的脆弱性是我们这个时代面临的最大挑战。

联合会采用系统的方法来研究自然环境;从陆地表面和海洋到最偏远的极地地区。毕竟,只有深入了解地球系统、创新技术、战略解决方案和为政策制定者提供基于证据的建议,才有可能规划一条通往可持续未来的道路。

       七个亥姆霍兹中心正在合作,以深入了解我们星球上发生的过程之间的复杂关系。全球环境变化的原因和影响是什么?如何可持续地使用自然资源?如何才能更有效地保护自己免受干旱、暴雨、风暴、洪水和地震等灾害和自然灾害的影响?联合会的目标是制定解决方案和战略,帮助人类适应不断变化的环境条件,最大限度地减少气候变化等全球威胁,并了解这些风险的潜在影响,不仅对环境,而且对经济和社会都有影响。

       因此,联合会将研究领域分为九个主题以及几个跨领域的活动联盟。目标是将通过这项工作产生的知识联系起来,并促进各研究中心之间以及与国家和国际合作伙伴之间的合作。为了确保我们的研究成果能够引起公众的关注并能够影响社会发展,联合会建立了一个综合和交流平台。

研究主题:
  • 大气层的全球变化
  • 气候变化中的海洋和冰冻圈
  • 不安分的地球
  • 自然和人为压力下的沿海过渡带
  • 未来的陆地景色
  • 海洋和极地生物
  • 可持续生物经济
  • 地质资源
  • 一个健康的星球
参与的亥姆霍兹中心:
  • 亥姆霍兹阿尔弗里的-魏格纳两级与海洋研究中心
  • 于利希研究中心
  • 亥姆霍兹GEOMAR基尔海洋研究中心
  • 亥姆霍兹波兹坦研究中心,德国地质研究中心(GFZ)
  • 亥姆霍兹Hereon研究中心
  • 亥姆霍兹环境研究中心(UFZ)
  • 卡尔斯鲁厄工业大学(KIT)
     
3. 生命科学
       亥姆霍兹生命科学研究中心在不仅进行传染病的研究,同时还针对心血管和代谢疾病、癌症、糖尿病、肺病、神经系统退行性疾病或慢性炎症性疾病等慢性常见病、老年病,以及这些疾病受环境因素和生活方式影响的相关性方面进行研究。

       联合会的科学家们通常研究复杂病因的疾病,并在此基础上制定早期检测、预防、诊断和治疗的新策略。近年来,参与中心越来越多地与来自医学院、大学、其他研究组织及行业中大型合作伙伴建立新的合作形式。为了尽快将有前景的方法从基础研究转移到临床应用,亥姆霍兹生命科学中心目前正在与当地大学医学合作伙伴密切互动,在其所在地开发成果转化中心。

研究主题:
  • 癌症研究
  • 系统医学和心血管疾病
  • 感染研究
  • 神经退行性疾病环境和代谢疾病
  • NAKO健康研究
     

4. 信息技术

       联合会在信息技术领域的研究内容,覆盖新的数据处理系统、创新材料和强大的超级计算机。如果没有存储和处理大量数据的能力,现代研究将是不可能的。为了处理这些几乎无穷无尽的数据,我们需要全新的方法和技术。亥姆霍兹研究信息处理的方方面面,并开发强大的工具,如量子技术和超级计算机以及创新材料和数据处理系统。通过这项研究,我们为社会面临的重大挑战提供解决方案;从健康生活到智能出行,再到适应气候变化。

       计算能力和效率的最佳榜样是自然界。人脑是自然界有史以来最复杂的器官,有 1000 亿个神经细胞不断形成新的连接,赋予大脑难以置信的能力。研究的愿景是创建一个以人脑为模型的硬件。另一个目标是利用生物细胞工作和组织自身的智能方式来开发新的计算和存储概念。科学家们还利用量子的惊人特性,对基于基本粒子的各种技术进行研究。目标是利用量子计算提供的同时处理大量信息的潜力。未来,计算机可以在几分钟内回答即使是今天的超级计算机也需要数周或数年才能解决的问题。

       大多数技术创新直接或间接归功于新材料。这些材料为光伏和汽车制造领域的创新组件以及用于医疗诊断的高灵敏度传感器铺平了道路。科学家们对创新材料进行建模和开发,并将它们作为复杂的系统连接在一起,以创造未来的信息技术。基于新材料、人工智能和机器学习的独特组合,将材料研究提升到一个新的水平。

       这些雄心勃勃的目标必须通过与全世界最优秀的业内人士合作实现。为此,联合会参与了诸如欧盟量子旗舰等计划,该计划汇集了来自科学和工业界的 5,000 多名研究人员,在未来几年共同开发基于量子世界的信息技术。此外,联合会还与亥姆霍兹的其他研究领域建立了联合实验室,共同进行跨学科合作并应对复杂的挑战,例如通过在大型计算机上模拟区域层面的气候变化等。

研究主题:
  • 工程数字期货
  • 自然、人工和认知信息处理
  • 材料系统工程
参与的亥姆霍兹中心:
  • 于利希研究中心
  • 亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)
  • 亥姆霍兹Hereon研究中心
  • 卡尔斯鲁厄理工业大学(KIT)
     

5. 航空、航天和运输

       联合会希望利用新技术和创新概念来帮助航空、航天和运输部门更加可持续、高效和数字化。愿景是建立一个气候中和、智能互联的系统,并以此构成了全球经济的基础。

       联合会在此研究领域分为三个项目,航空、航天和运输,并将基础研究与实际应用联系到一起。在航空项目中,科学家们竭尽全力发展航空运输,使其安全、高效、环保,并实现航空各个方面的数字化。参与太空领域研究的科学家开展的研究超越了行星、太阳系和宇宙的起源。他们还为地球上的现代生活提供了重要的基础设施,包括通信、导航以及地球和气候监测技术。科学家们还与地球与环境研究领域密切合作,尤其是在研究大气方面。在大气层内部的交通计划中,科学家为适合未来的交通系统开发新方法和创新解决方案,并将同等程度地造福于商业、社会和环境。

       这三个计划通过数字化转型的跨部门问题联系在一起,形成贯穿所有领域的一条研究路线。结合信息研究领域,科学家利用量子技术和人工智能方法等先进技术来支持他们的研究。作为一项新的衍生战略,创新中心旨在加强技术转让并为实际应用做好准备。

       在联合会内部,德国航空航天中心 (DLR) 管理所有三个项目,从基础研究到应用的整个系统链。DLR 与 60 多个国家的 400 多个合作伙伴和组织就各种项目开展合作。

研究主题:
  • 航空
  • 航天
  • 运输
主导的研究中心:
  • 德国航空航天中心(DLR)
     
6. 物质

       物质是人类存在的基本物质。恒星和行星是由它构成的,人类和微生物也是如此。物质结构领域的研究横跨了微观世界到整个宇宙的维度。物质的基本组成部分是什么样的,是什么将他们结合到了一起?宇宙自大爆炸以来是如何发展的?这两个问题密.   切相关,因为那些在宇宙最初时刻创造的粒子决定性地塑造了宇宙未来的发展。

       此外,研究领域还研究了介于这两个极端之间的区域——例如晶体、塑料或蛋白质。它们的特性是由构成它们的原子和分子的相互作用决定的。科学家越准确地了解这些原子和分子之间高度复杂的相互作用,就越能准确地开发出新的高科技材料、电子材料和药物。通过分析各种材料的微观结构,科学家们不仅创造了有时完全出乎意料的见解,而且为未来的创新奠定了重要基础。

       为实现其目标,联合会运营了许多一流的大型研究设施。例如,汉堡的同步辐射源PETRA Ⅲ和柏林的 BESSY II,两者可提供高强度 X 射线光,用于分析纳米材料和生物分子的结构直至原子。联合会还大力参与了众多国际研究设施,例如世界上最强大的 X 射线激光器、汉堡的欧洲 XFEL,位于日内瓦 CERN的世界上最大的粒子加速器LHC。未来,将添加更多科学信标:FAIR-世界上最强大的核和强子物理加速器综合体,正在达姆施塔特建造。这涉及对包含微小基本粒子夸克(称为强子)的所有粒子的研究。除其他外,FAIR 将详细解答恒星内部的化学元素如何被“烘烤”的问题。

       物质结构研究领域与其他亥姆霍兹研究领域的研究机构,以及德国和国外的大学、公司和研究机构密切合作。通过这种方式,它在基础研究和面向应用的研究之间产生了协同作用,并继续发展成为吸引年轻科学家的磁石。

研究主题:
  • 物质与宇宙
  • 从物质到物质再到生命
  • 物质与技术
参与的亥姆霍兹中心:
  • 德国电子同步加速器(DESY)
  • 于利希研究所(FZJ)
  • GSI亥姆霍兹重离子研究中心
  • 亥姆霍兹柏林研究中心(HZB)
  • 亥姆霍兹德累斯顿-罗森多夫研究中心(HZDR)
  • 亥姆霍兹Hereon研究中心
  • 卡尔斯鲁厄工业大学(KIT)
    预算数据
           亥姆霍兹协会的年度预算为54亿欧元。其中大约70%的预算由联邦和州政府以大约90%10%的比例承担,亥姆霍兹中心自己筹集大约30%作为第三方资金。

    联合会的科研成果转移
           亥姆霍兹国家研究中心联合会通常以创立公司和发行专利许可的方式进行成功转移。联合会每年与企业开展约2000个合作项目,这些合作能实现约1.5亿欧元的年收入。联合会每年申请约400项工业产权和专利,已经拥有13000项知识产权,每年签订约1400份新的许可和转让协议,每年约有20个高科技衍生产品诞生。
           以下是联合会在发行预科方面的案例:
  • 世界上最大的医疗技术公司使用DLR研究所的技术
    DLR机器人与机电一体化研究所从事医学机器人辅助系统研究已有20多年,并于2013年将他们开发的医疗机器人授权给医疗技术公司美敦力。医疗机器人系统MiroSurge® 向美敦力的成功技术转让是2017年建立MIRO创新实验室的起点。现在,由美敦力进一步开发的名为Hugo™ RAS的系统已获得欧洲市场的批准。新的 Hugo™ RAS 系统(机器人辅助手术)基于 DLR 开发的 MiroSurge® 远程手术系统的技术原理。根据要求,MiroSurge® 系统由两个或多个 MIRO 机械臂组成。机械臂在结构、尺寸和机动性方面均以人的手臂为基础,使其操作直观、灵敏、安全。这些特性反映在 Hugo™ RAS 系统中。轻巧的机械臂和众多传感器可确保以极高的精度执行运动。
  • 家庭中的火箭燃烧器
    DLR开发的技术已经在家庭供暖系统中使用了40多年。大多数房主不会想到他们的地窖里有太空时代的技术。然而,现在有超过 50 万个油加热系统使用德国航空航天中心 (DLR) 开发的“蓝色燃烧器”技术工作。自 1977 年以来,包括MAN和Buderus(现为博世)在内的几家欧洲公司已经获得了使用这种环保技术的权利。因此,蓝色燃烧器是技术转让如何长期有效的一个典型例子。该流程是利用 DLR 在开发火箭发动机方面的广泛专业知识开发的,并且由于与许可证持有者的合作而得到改进。其基本思想是燃油在燃烧前在混合区蒸发。来自燃烧室的热废气被引导到混合区,在那里它与来自外部的汽化油和空气相遇。当它被蒸发时,燃油分布非常均匀,因此几乎完全燃烧——用蓝色火焰代替通常的黄色火焰。这不仅意味着需要更少的油,火焰也几乎没有烟灰,废气中的一氧化碳和氮氧化物含量非常低。
  • 快速粒子固化
    GSI 亥姆霍兹重离子研究中心的粒子加速器通常用于物理学的基础研究。但在一个项目中,它们被用于医疗目的。GSI 的物理学家与海德堡大学医院放射科和德国癌症研究中心的医生合作,开发了一种用离子束疗法治疗癌症的新方法。事实证明,用粒子加速器的碳离子进行靶向照射可有效治疗肿瘤,并使周围的健康组织基本不受影响。它还可以有效治疗其他区域的肿瘤,例如大脑。该疗法被公认为一种医疗形式,自2009年以来一直被海德堡离子束治疗中心 (HIT) 使用。在GSI专利的基础上工作,西门子公司设计了一个离子束治疗设施。正在基森和海德堡大学医学院使用,并且计划在基尔和上海投入更多的应用。西门子最近与 GSI 签订了另一份补充许可协议。它适用于在达姆施塔特开发的生物物理模型,可以对辐射进行详细计划和准备。

           联合会还会参与到以技术为向导和以知识为基础的创业项目中。在初创企业中,联合会的研究中心参与到公司的建设和研发中心,由此节省了许可证或设备使用的财务费用,作为回报,研究中心可以参与到公司的发展和商业分成中。以下是一些成功案例:
  • Quantum Yield Berlin GmbH是亥姆霍兹柏林研究中心的第一个衍生公司。科学家们致力于为太阳能电池和LED设计节能的半导体材料,以求快速实施能源转型。然而,利用常规手段寻找最佳材料和最佳组件需要耗费大量的时间。为此,该团队先前获得了亥姆霍兹协会的亥姆霍兹企业计划和该中心的技术转让基金的资助,开发了开箱即用的测量设备-LuQY Pro。LuQY Pro可以提供非常快速和有准确的检测结果,此时可以更有效地设计光电组件。例如,使太阳能电池和 LED 以更节省资源的方式进行优化。
  • 作为首批亥姆霍兹企业团队之一,Nanoscribe GmbH 成立于 2007年,是从卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 分拆出来的。2021年,作为高精度增材制造市场领导者加入CELLINK集团,巩固了其战略地位。Nanoscribe 的2PP技术可实现血管微环境的亚细胞级生物打印,适用于细胞研究和芯片实验室应用。其目的是推动整个公司集团的产品开发,并通过使用Nanoscribe系统生产用于组学应用的植入物、微针、微孔薄膜和消耗品来产生持续的收入。
  • Osteolabs GmbH是Geomar的第一个衍生公司,并且作为商业与科学合作的成功范例屡获殊荣。OsteoTest由 Validation Fund和Helmholtz Enterprise资助,是第一个针对骨质疏松症的无辐射早期检测方法,此方法是通过医疗实践进行的,检测可以很简单地从家里进行并送到实验室。该程序的可靠性已在医学和科学上得到证实。
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