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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。
亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心概览
亥姆霍兹德累斯顿罗森道夫研究中心（Helmholtz-ZentrumDresden-Rossendorf，以下简称HZDR）最早成立于1992年，2011年正式成为亥姆霍兹国家研究中心联合会成员。HZDR总部位于德累斯顿，共有1400多名工作人员。其研发资金雄厚，在2020年单年研发预算达13.5亿欧元。该研究中心设有10个分支机构，专注于能源、健康和物理领域的研究。
在能源领域，该研究中心有三个侧重点：一是能源效率与资源利用，即如何提高工业流程的效率，如何保障经济型原材料供应，如何安全高效地利用资源和能源；二是电化学储能技术研发：主要是针对大型液态金属电池，测量、模拟和改变其中的热熔融金属和盐的流动，并研究与控制电流驱动的不稳定性；三是核废料的安全管理。
在健康领域，该研究中心针对的是肿瘤诊断技术的开发与应用，例如肿瘤学中的激光加速，实时监测和控制肿瘤生长的辐射手段。
在物理领域，该研究所开发和改进大型设施，来研究创新材料的基本特性、结构和功能，以便优化其应用。加速器和探测器的研发也在同步进行，能够研发和使用大型设备，是该研究所的一大优势。
研究部门动态
（一）德累斯顿强磁场实验室HLD
HLD专注于强磁场中的现代材料研究。高磁场实验是深入了解我们周围物质的理想方式。磁场可以操纵和控制材料特性——这就是为什么要在新材料上进行这些类型的实验，以便探索它们的基本特性，并为未来的应用优化它们。重点研究领域是金属、半导体、超导和磁性材料的电子特性。目前正在研究超导体、强相关系统、低维和受抑磁性以及纳米结构材料。
1.发现新量子态
有HZDR参与的国际研究小组创造了一种量子态，其中与自旋相关的原子排列没有顺序，即使在超冷温度下也是如此。类似于即使在极冷条件下也不会凝固的液体。为了达到这种状态，研究小组使用了一种特殊材料—镨、锆和氧元素的化合物。他们假设在这种材料中，晶格的特性将使电子自旋以一种特殊的方式与其围绕原子的轨道相互作用。在低温恒温器中，专家们逐渐将具有极高纯度的晶体冷却至20毫开尔文。为了了解样品如何响应这种冷却过程和磁场内部变化，他们测量了它的长度变化。在另一项实验中，该小组记录了晶体对直接通过它发送的超声波的反应。结果显示，在一系列条件影响下，晶体行为毫无变化。对此团队给出的结论：自旋和轨道之间明显的相互作用阻止了自旋有序化，使得原子保持液态量子态。该基础研究对未来高敏感的量子传感器具有重要意义。
2.探究CeRhIn5的导电特性
HZDR团队对一种具有极重载流子的非常规电导体CeRhIn5进行研究，在微小的单晶上涂上一层薄薄的金，然后使用离子束雕刻出微小的微结构。在这些结构的末端，贴上超薄铂带，并用金刚石砧压力盒施加压力，以测量在极高压力下沿不同方向的阻力。此外，在接近绝对零的温度下对样品施加非常强大的磁场。当他们将温度降低到比绝对零高近四度时，材料进入一种称为“电子向列”的状态。
（二）流体力学研究所
该研究所使用流体动力学中最新和最先进的计算方法开发模拟工具，研究热流体动力学和磁流体动力学领域的基础和应用研究，以提高工业过程的可持续性、能源效率和安全性。研究重点有4大快，分别为磁流体力学，计算流体动力学，实验热流体动力学，接触面的传递过程研究主要为服务于能源研究领域。
1.磁流体力学部门
磁流体动力学 (MHD) 是专注于电磁场影响下导电液体动力学的研究领域。HZDR 的研究活动涵盖从基础研究到应用研究的广泛领域，包括高温能量转换系统、新型液态金属电池、太阳能级硅的生产、CO2在现代中子源或粒子源和嬗变系统中自由生产氢、液态金属靶、钢和轻金属的铸造和凝固、焊接和钎焊工艺，以及与液态金属冷却系统、材料加工相关的基础实验室实验，以及地球和天体物理学。
（1）地球和天体物理学
DRESDYN是基础设施项目，致力于具有地球和天体物理学背景的大规模液态钠实验。如研究磁旋转不稳定性（MRI）和泰勒不稳定性（TI）的各种组合。前者会触发原恒星和黑洞周围吸积盘中的湍流和角动量传输，后者在中子星的角动量传输中发挥作用，并且还被讨论为替代恒星发电机模型 Tayler-Spruit 发电机的关键成分，在大型液态金属电池中，还会破坏阳极材料稀电解质和重阴极材料的分层。
（2）液态金属电池
①研究液态金属电池中的流体动力学不稳定性，以优化质量传递，包括上面所提到的泰勒不稳定性，电涡流，热对流，溶液对流，界面不稳定。
②液态金属电池的电化学实验和开发，包括电极配对优化，低熔点盐混合物的测试，测试电极/电解质/收集器/隔离器的材料组合，气体释放的原位测量（在电池循环或熔化盐混合物期间）。
③研发制造具有坚固性，对碱金属高反应性，以及对高压和温差具有抵抗力的碱金属热电转换器 (AMTEC) ，该转换器能将热能直接转化为电能。
（3）液态金属多相流
该小组研究不同的方法来控制多相流，并且寻找可用于包含不透明液态金属的多相流的新测量方法。有电磁分离；浮选法；制造金属基复合材料。
2.计算流体力学（CFD）部门
CFD 部门的活动重点是：多相流的 CFD 模型开发和验证；旨在开发和验证闭包模型的实验和DNS / LES。CFD部门有两个策略：通过所谓的基线模型策略，基于多流体方法合并多相 CFD ；建立创新的建模框架，以扩展基于多流体方法的多相 CFD 的适用范围。
目前该部门开发了多分散气泡流的 HZDR 基线模型、非均匀 MUSIG(iMUSIG) 方法、气泡引起的湍流 (BIT)模型、气泡合并和破裂模型、蒸发和冷凝流模型、气泡塔中反应流的 Euler-Euler 建模、分离流的基线模型—AIAD。
（1）实验热流体力学部门
实验热流体动力学分部对具有传热和传质的多相流进行实验分析。该部门致力于改善：工业过程的理解和效率，热过程的能源效率，核安全研究中事故序列的理解和可预测性。
（2）接触面的传递过程部门
该部门分析不同类型界面的多尺度传输现象，例如液-液界面，进行实验和模拟以研究界面处的流动现象和相关的不稳定性。
①浮选：以根据浮选槽中的流体动力学在微观和中观尺度上研究粒子附着。
②磁选：磁分离是一种用于从例如矿石或废料中提取顺磁性和铁磁性颗粒的精巧技术。它通常应用于矿物加工，并发现许多新的应用，例如通过功能化磁性纳米粒子分离生物化合物，研究员目前正在处理从水溶液中分离稀土离子的磁性。
（三）离子束物理与材料研究所
离子束物理与材料研究所为未来的应用（例如信息技术和能量转换）开展材料研究。为此，他们利用离子束中心 (IBC)提供的各种可能性来合成、修改和分析薄膜和纳米结构。分析的材料范围从半导体和氧化物到金属和磁性材料。对它们进行研究的目的是优化它们的电子、磁性、光学和结构功能。这项研究包含在亥姆霍兹协会的“从物质到材料和生命”项目中。旗下部门有：
1.离子束中心
专注于通过使用宽能量范围（eV 至 MeV）的离子对固体表面进行改性和分析。除了离子束分析之外，为了全面表征材料，电子显微镜（TEM、SEM、交叉束系统）和基于 X 射线的分析技术也用于结构解析。可以在 100 级洁净室中使用离子诱导效应或光电和纳米电子设备结构进行研发工作。目前的项目组有：
（1）离子注入与材料改性：将离子形式的杂质原子撞击到基础材料中（掺杂）或在半导体材料中产生缺陷（缺陷工程、寿命工程）的方法。这样，基材的材料性能发生变化（通常是电性能），也可改变表面敏感特性，如附着力、磨损、粗糙度、硬度、腐蚀。
（2）离子束分析：利用离子束进行材料、结构和放射性核素分析。目前研究的课题有：具有最高横向分辨率的离子束分析/氦离子显微镜内的离子束分析，环境条件下的原位离子束分析和离子束分析，在独特的实验中结合不同的离子束分析技术。
（3）结构分析：结构分析组处理纳米结构材料的结构、形态和化学性质的分析，特别是（离子改性的）固体表面和薄膜系统。为此，应用了使用电子和 X 射线束与纳米材料相互作用的分析技术。
2.纳米电子学
该部门专注于纳米结构和纳米结构物质的创建、表征和建模。电子光刻自上而下技术用于生成具有不同于纯扩展体相的特定结构、机械、光学和传输现象的纳米级功能元件。此外，特定的和部分离子束辅助技术允许自组织、自下而上地形成纳米结构复合材料和表面改性。纳米计量学方法提供了对纳米结构特性的定量访问，从而阐明了与宏观材料特性相比差异的物理起源。在不同尺度上建模可以深入了解主导纳米尺度现象的相互作用。研究方向有：
（1）纳米复合材料：研究薄膜研究的应用相关和基础主题。其中一个重点是为太阳能热电厂开发太阳能选择性涂层，这些涂层必须表现出太阳能选择性和高温稳定性。
（2）纳米加工与分析：采用自上而下的方法进行纳米制造。主要步骤为：纳米光刻，在称为“抗蚀剂”的牺牲层中创建具有所需图案的模板，沉积在主要工作材料上图案转移，通过抗蚀模板将图案转移到基材中。
3.半导体材料
该部门致力于通过离子束和毫秒闪光灯/纳秒脉冲激光合成和改性用于光电和量子技术的先进材料。它配备了用于超快退火和薄膜沉积的工具，以及用于材料电学、光学和磁学研究的尖端设备。其研究方向有：
（1）超掺杂半导体及其纳米结构：通过结合离子注入和亚秒级强光脉冲处理，将半导体及其纳米结构掺杂到掺杂剂的溶解度极限之外。
（2）红外光电：等离子体器件的开发重点是超过固溶度极限的 GaAs、Ge 和 Si 掺杂；光子器件与硅基微电子器件的集成；红外光电探测器开发。
（3）离子缺陷工程：高能离子通过电离和核碰撞与材料相互作用，产生电子缺陷和原子位移。缺陷的数量和分布可以通过离子注量和能量来控制。因此离子束为缺陷工程提供了一种方法。
4.智能材料与器件
该部门的主要活动集中在磁电子学的开发上，磁电子学可以在制造后按需重塑。这些可塑形（柔性、可拉伸和可打印）磁传感器可用于实现交互式消费电子产品。可塑形磁敏设备可用于监测位移或运动并根据需要提供反馈，例如用于智能植入物、用于皮肤或可穿戴电子设备的接近传感器或用于实现独特类别的软致动器的感觉反馈系统——软机器人。目前在进行着多个项目，有研究3D 形磁性纳米物体中的拓扑结构、研究磁场可调柔性无线通信设备、研发用于拓扑量子计算的弯曲纳米膜等等。
（四）辐射物理学研究所
该研究所使用最先进的辐射源以研究基本的物理现象。因此，新型加速器的建立和现有机器的进一步发展和改进是该研究所的一个基本目标。高功率激光器可以研究光与物质的相互作用。为了检测最小尺度的影响，开发和应用了高精度和非常快速的检测器。使用最新的高性能 GPU 计算技术可确保实时处理大数据，并为复杂系统的开源仿真工具设定了全球标准。
1.ELBE高功率辐射源中心
ELBE - 高功率辐射源中心，成功地将研究与用户操作相结合。ELBE 由一个超导电子加速器和两个高功率激光系统组成，即超短脉冲激光。
在健康领域，该中心研究辐射引起的细胞损伤，具体为超短脉冲粒子束对检测和剂量测定的影响，对放射生物学效应的影响，作为治疗光束交付的影响。
在物质领域，该中心研究计划有基于 FEL 的半导体光谱学，高场太赫兹驱动动力学，正电子材料研究。
此外他们还研究与开发加速器，有超导射频枪，激光-离子加速，激光电子加速，基于 TH 的准连续加速器光子源诊断。
2.粒子激光加速部门
在相对论强度范围内对光与物质相互作用的实验和理论研究代表了该小组的主要活动。重点在于开发先进的紧凑型高能粒子束源和潜在应用，例如在放射肿瘤学领域。该部门研究有：
（1）激光离子加速研究组：激光-等离子体相互作用的研究；研究用于癌症治疗的质子束。
（2）电子加速研究组：研究高质量纳库仑级等离子体加速器；纳米级超快等离子体和光束动力学的“原位”诊断；等离子靶的开发和表征：开发了多种等离子靶材，这些靶材以后将用作电子加速的介质。
（3）大功率超短脉冲激光DRACO：借助 DRACO（德累斯顿激光加速源），HZDR 运行着最先进的高功率超短脉冲激光系统，专门用于研究相对论激光等离子体物理并对其进行了优化。
（4）面向应用的激光等离子体加速：初级研究组面向应用的激光等离子体加速器将在 HZDR 开发的 PENELOPE 激光器上建立一个基于激光的离子加速器，以期将该系统成熟为适用的离子源。
3.核物理部门
核物理部门对原子核的结构及其之间的反应进行研究。他们的研究有助于了解宇宙情景中化学元素的起源，并将此类核相互作用知识应用于核废物管理和减少的先进概念。此外，该部门开发了用于基础研究、医学和应用的新型辐射探测器。该部门研究有：
（1）科学技术核物理数据小组：研究中子诱发反应和光核反应，以提供与基础科学、核天体物理学和技术相关的数据。
（2）HZDR正电子湮没能谱小组：作为电子的反粒子，正电子用于低浓度和高灵敏度地探测材料缺陷。凭借作为非破坏性材料研究方法的优势，正电子湮灭已发展成为研究金属、半导体、聚合物和多孔材料的成熟工具。该小组正在使用两种正电子湮没技术：正电子湮灭寿命谱 (PALS)和多普勒展宽光谱 (DBS)。
（3）探测器开发：通过开发和测试最好的检测器来支持基础研究，特别是用于计时目的。目前有ELBE 40 MeV电子束的单电子模式、陶瓷RPC探测器、中子探测器。
4.高能量密度部门
能量密度超过 ~10 的11次方焦每立方的物质称为“高能量密度”物质，对应于压力超过 100 GPa（= 100 万倍大气压力）。这些物质状态可以在行星和恒星的深层内部以及许多实验室应用中找到，例如强激光与材料的相互作用。该部门部门活跃于这个相对较新且发展迅速的研究领域的各个领域。目前该部门的研究课题有：
（1）非平衡态暖致密物质：对平衡的暖致密物质进行第一性原理量子模拟，以获得状态方程、不透明度、电导率、介电函数、电子和离子的（动态）结构、电离势下降和温度弛豫时间等量。
（2）细胞内粒子模拟：该小组专注于数值研究超快等离子体动力学用于埋层靶中的离子加热、体电子加热、碰撞电离、传输不稳定性和 PIC 模拟的准静态磁场生成。
（五）放射肿瘤学研究所-OncoRay
在放射肿瘤学研究所 - 专注于医学、物理学、生物学和 IT 领域的 OncoRay 科学家共同努力，通过实施生物个性化和技术优化的放射疗法来显着改善癌症的治疗。该所有6个研究团队，分别为：
1.个体化放疗的生物标志物团队：该研究组主要研究癌症干细胞CSC的应用，他们的研究目标是：基于开发预测测试的新的基于 CSC 的生物标志物的表征;鉴定可以特异性靶向 CSC 以恢复肿瘤放射和化学反应的小分子;了解癌症干细胞生物学的遗传程序和生物学过程。
2.高精度质子治疗团队：该研究组的目标是开发和科学评估质子治疗的高精度方法，并尽快将其转化为临床应用。最终目标是开发未来的质子治疗，包括实时验证和调整治疗。目前进行的课题有：双能CT距离预测；重建移动靶治疗的实际给药剂量；使用即时伽马成像进行范围验证；稳健和适应性治疗。
3.图像引导高精度放疗团队：该研究小组专注于 3D 和 4D 成像技术的全面分析和随后的临床实施，以对移动目标（例如胰腺肿瘤）进行高精度放射治疗。
4.基于伽马射线的实时治疗验证团队：研究小组致力于探索新方法和开发临床适用仪器，以在放射肿瘤治疗期间精确评估患者体内质子束的范围。治疗光束的高能质子在体内停止，并将大部分动能储存在光束轨道的最后几毫米中。该小组的想法是，捕捉射束粒子通过组织时偶尔产生的瞬发伽马射线，使质子束可视化。
5.激光放射学团队：由于良好的物理和放射生物学特性，离子束最适合用于癌症的高精度放射治疗。该小组关注超短脉冲粒子束对超短脉冲粒子束对检测和剂量测定的影响，对放射生物学效应的影响，作为治疗光束交付的影响。
6.实验性MR集成质子治疗
该小组研究和开发基于 MRI 的放射治疗规划和实施领域的新概念。设想将 MRI 整合到（前）临床放射治疗中以：提高组织描绘的准确性和精确度，量化器官运动，单独调整治疗策略，并评估治疗反应。该小组侧重于：将几何正确的高质量解剖和功能 MRI 集成到放射治疗工作流程中；基于4D-MRI的腹盆腔肿瘤自适应放疗规划的开发与应用；研究将 MRI 功能集成到混合质子治疗系统中的技术可行性。
（六）放射性药物癌症研究所
该研究所的活动重点是研究和开发用于肿瘤功能表征和治疗的放射性标记化合物。此外，还开发了通过分子成像对肿瘤进行定量表征的计算方法。特别是，这主要包括正电子发射断层扫描和连接的多模态成像技术。该研究所包括以下部门：
1.放射性核素治疗学部门：该部门工作重点是开发和应用用于治疗肿瘤的化合物。
2.放射免疫学部门：放射免疫学系的工作重点是开发用于治疗和诊断肿瘤的新型免疫治疗策略。该部门技术包括基于抗体 (Ab) 的免疫疗法和基于嵌合抗原受体 (CAR) 的细胞免疫疗法。
3.放射性药物和化学生物学部门：该部门工作重点是恶性实体瘤和转移瘤的生物化学、生物学、影像学和治疗（治疗诊断学），重点是黑色素瘤、嗜铬细胞瘤、胰腺导管腺癌、肝细胞癌和多发性骨髓瘤。
4.放射性药物生产部门：该部门主要重点是生产用于诊断肿瘤和神经系统疾病以及通过 PET 诊断认知障碍的放射性药物。
5.正电子发射断层扫描科：该部门的研究涉及图像数据采集和处理链的多个方面，其中包括图像重建、运动校正、运输和代谢过程建模、肿瘤形状不规则的量化以及统计分析。
6.转化TME-配体系：该部门专注于开发靶向肿瘤微环境 (TME) 内受体的放射性示踪剂，用于成像和治疗。
7.神经放射药物部门：该部门主要研究方向是放射性标记配体（放射性示踪剂）的开发和评估，以研究活生物体的大脑功能。通过整合化学/放射化学、制药/放射药物、生化和放射药理学基础研究、计算化学，并借助核医学诊断，将提供神经科学的新方法。这种方法最重要的是监测胶质母细胞瘤或神经变性等脑部疾病的治疗。
（七）资源生态研究所
资源生态学研究所 (IRE) 开展研究以保护人类和环境免受生产能源和原材料的技术过程产生的污染物的危害。该研究所有9个部门，分别是：
1.生物地球化学系：在环境中，物理、化学和生物过程会影响长寿命放射性核素 (RN) 的迁移行为。该部门研究目的是确定生态圈中的主导过程，例如，放射性废物的深层地质储存库。除了基础研究之外，它还旨在生成热力学数据以改进安全评估模型。
2.锕系元素热力学系：该部门研究课题集中在热力学（和动力学）参数的确定、评估、处理、存储在各自的数据库中以及在地球化学建模中的利用。
3.表面处理系：该部门关注使用各种成熟和先进的显微和光谱技术，准确描述控制地球圈中 RN 相互作用的复杂地层反应和复杂结构。此外，该部门还调查了核电站材料在安全退役的背景下活化产物的产生和化学形态。
4.分子结构系：该部门基于同步加速器研究锕系元素短程结构、氧化态和成键。
5.生物物理学系：该部门在生物分子功能、物理化学和放射化学的交叉领域进行跨学科研究。以帮助核安全和癌症研究。如生物膜的结构和动态研究、膜蛋白的构象转变、放射性金属和生物分子之间的相互作用、金属和放射性核素对微生物代谢的影响。
6.反应运输系：该部门侧重于表面反应性的异质性、在复杂多孔材料中的放射性核素示踪剂传输、纳米粒子和胶体与复杂基质材料的相互作用。
7.反应堆安全部：该部门研究中子物理学和反应堆动力学，蒙特卡洛模拟（n-/γ场计算），以及工厂动力学和严重事故分析。
8.f元素化学系：该部门研究锕系元素及其镧系同系物在固态和溶液中的化学性质。现代分析工具与量子化学计算相结合，提供了原子尺度信息，可用于表征分子中锕系元素的物理化学性质。
9.结构材料系：该部门主要研究确定结构材料中辐射引起的损伤机制，并评估由此产生的机械性能变化。
（八）亥姆霍兹弗莱贝格资源技术研究所（HIF）
HIF的 目标是为经济开发创新技术，以便更有效地提供和使用矿物和含金属原材料，并以环保的方式回收利用。该研究所目前正在进行的课题有：
1.FlexiPlant-复杂原材料自适应加工的研究基础设施：FlexiPlant 旨在实现流程链的范式转变，在流程链中处理可变的来料，高达 90%的先前损失的原材料可以返回到材料循环中。
2.FINEST-细粒残留物的可持续解决方案：FINEST 项目将通过设计高价值产品和/或惰性残留物来处理各种残留物并最大限度地减少危害。
3.粒子行为建模：该小组充分应用原材料的高级表征，以便更好地理解而且可以预测粒子分离过程中的粒子行为。该小组开发了一个系统，使用户能够以结构化的方式访问和处理完整的矿石表征数据集。还开发了各种建模技术（例如，使用核密度估计）来理解和预测任何颗粒分离设备（例如，浮选）中单个颗粒的过程行为，收集的所有颗粒信息都用于使预测模型真正认识到材料的复杂性，帮助确定适合各种进料的工艺参数，并最大限度地降低后期冶金研究的成本。此外，他们还开发了在 3D 中表征单个粒子的大小、形状和成分的技术。使用 X 射线计算机显微断层扫描技术，不仅可以收集详细的 3D 粒子，还可以突破矿物鉴定的界限。收集的数据还应该适合直接传输到该小组基于粒子的分离模型中。
4.资源表征：该小组创建了一个新的测量程序和软件，结合了 2D 和 3D 数据，并允许前所未有地优化矿物回收和能源效率以及最大限度地减少残留物。通过应用这项新技术，估计在从金属开采到提炼的整个过程中可以节省 5% 的能源。它可用于材料质量控制，也可用于材料行为的预测。
5.再采矿：该小组致力于从矿场垃圾场中提取资源和在加工。当前他们有多个进行或在计划的项目，如在巴西矿场的垃圾材料中提取以前无法提取的稀土金属，直至生产稀土铁磁。利用微生物在废旧金属中提取有价值的金属。
（九）CASUS-高级系统理解中心
CASUS 是一家于 2019 年至 2022 年间在格尔利茨成立的新研究所，将数学、系统理论、数据科学和科学计算的方法结合在一个位置，以解决来自地球系统研究、系统生物学、数字健康或材料研究等不同系统研究领域的问题。目前研究重点有：
1.极端条件下的物质：CASUS 的科学家研究了物质在极端电磁场、温度和压力影响下的非平衡行为。了解这些奇异的物质状态将有助于加强对强相关量子系统的基本理解，加强对行星和恒星内部的认知，了解天体物理过程，以及开发基于等离子体的紧凑型粒子加速器，用于肿瘤放射治疗或紧凑型 X 射线光源等应用。
2.地球系统方向：CASUS 开发了数据和计算密集型计算机模型，可以在高空间和时间分辨率及其复杂的相互作用中研究全球变化的生态、水文和经济影响，并且为未来 50 到 100 年的整个生态系统及其生态系统功能提供预测，包括生物地球化学循环，水质和水量，生物质生产和农业产量，以及生物多样性。
3.系统生物学：CASUS 进行基础研究，以实现对生物过程和生命系统控制的机械理解。这包括：未来实验室的虚拟和增强现实，生物过程的计算预测和控制，以及从显微镜数据中学习和推断可计算模型。CASUS 的方法和算法能够根据每天从高分辨率 3D 显微镜获得的 TB 数据，在从分子到组织的多个尺度上深入了解生命物质及其内部功能的生命过程。
4.数字健康：CASUS 专注于数字健康领域安全、智能和可持续数据管理的技术和解决方案。CASUS 解决的第一个应用场景是帮助医疗专业人员在癌症治疗中做出最佳决策。在实施方面，CASUS 正在追求通过联合和可扩展的方法使数字健康中的机器学习成为可能的想法。从而实现贴近患者数据的分析、建模和知识抽取。这种方法将允许人工智能模型根据来自不同站点的患者数据进行训练，并将结果整合到一个模型中。
5.自主系统：除了环境的综合数字表示之外，自动化决策还需要与周围的基础设施以及各个道路使用者之间联网。这样就形成了一个高度动态的系统，其实时分析将为自动驾驶汽车的安全做出决定性的贡献。CASUS 将机器学习方法与行为模型和传感器数据相结合，创建数字图像，用于车辆驾驶，对其他道路使用者的行为做出决定，与其他道路使用者和现有基础设施进行通信。
（十）理论物理
非平衡现象会在物理学的各个领域产生许多特别的效应。通常人们会发现完全不同的学科之间存在惊人的相似之处：例如，陷阱中的超冷原子或离子显示出与固体中的电子和声子非常相似的机制。在极强的激光场中产生电子-正电子对（到目前为止只是一个预测）与核聚变或半导体二极管中的电介质击穿等其他效应之间也存在相似之处。在完全不同的尺度上，极端环境（例如黑洞周围或早期宇宙）中的某些效应也显示出与实验室系统的相似之处，例如陷阱中的超冷原子或离子。
HZDR 理论物理研究所，主要通过分析手段研究这种非平衡现象：包括强场物理（与辐射物理研究所合作）、石墨烯材料的特性（与离子束物理与材料研究所合作）以及强相关系统。
总结
综上所述，该研究所活动领域主要集中在能源、健康、和物质这三大领域和11个大主题，分别是节能工艺，资源技术，电化学储能，核废料管理，核反应堆安全研究，影像学和放射肿瘤学，内部物质的结构、动力学和功能，离子束物理与材料学，最高电磁场研究，加速器研发，探测器技术和系统平台。
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