Exzellenzcluster

Der Exzellenzcluster e-conversion erforscht eine stabile, effiziente, nachhaltige Energieversorgung und vernetzt dafür die Nano- und die Energiewissenschaften. Im Fokus stehen die ultraschnellen Energieumwandlungsprozesse bei verschiedenen Technologien – von der Photovoltaik über die (Photo-)Elektrokatalyse bis zur Batterietechnologie.

Bislang kommt es durch die ungenügende Kontrolle dieser Prozesse in Nanomaterialien und an entsprechenden Grenzflächen zu Widerständen, Rekombinationsverlusten oder Überspannungen, was die Effizienz der Energieerzeugung vermindert. e-conversion untersucht experimentell die Grundmechanismen der Energieumwandlung mit einer Zeitauflösung im Femtosekunden-Bereich.

Mit diesem Wissen können Energiematerialien mit atomarer Exaktheit entworfen und synthetisiert werden. Für die Charakterisierung der Materialien baut der Forschungsverbund ein Elektronenmikroskopie-Zentrum auf. Er profitiert dabei von der nur im Münchner Raum existierenden hohen Dichte von Forschungsexpertise und Infrastruktur in den Nano- und Energiewissenschaften. Sprecher auf Seite der TUM sind Prof. Karsten Reuter und Prof. Ulrich Heiz (Chemie).

Der Cluster e-conversion

• verbindet Technologien von Photovoltaik über (Photo-)Elektrokatalyse bis hin zu Batterien in einem übergreifenden Ansatz der Energieforschung.
• ermöglicht effizientere, stabilere Wege der Energiegewinnung und eine breitere Rohstoffbasis.
• charakterisiert, modelliert und gestaltet Energieumwandlungsprozesse mit neuesten Methoden aus den Materialwissenschaften und der Nanotechnologie.
• erweitert ein leistungsfähiges Elektronenmikroskopiezentrum, um die Veränderungen von Materialgrenzflächen bei der Umwandlung von Energie genau zu beobachten.
• vernetzt die Nano- und Energiewissenschaften der beiden Münchner Universitäten, TUM und Ludwig-Maximilians-Universität, mit den Max-Planck-Instituten für Festkörperforschung (Stuttgart) und chemische Energiekonversion (Mühlheim/Ruhr).

Computer, Mikrochips, Laser: Technologie, die auf Erkenntnissen der Quantenmechanik basiert, ist in vielen Bereichen im Einsatz. Die Quantenmechanik beschreibt die physikalischen Eigenschaften der kleinsten Teilchen und hat im 20. Jahrhundert die Wissenschaft revolutioniert. Unter dem Begriff „Quantum 2.0“ ereignet sich aktuell eine technologische Sprungentwicklung. Sie beruht auf der Nutzung der Überlagerung und Verschränkung von Quantenzuständen. Das Anwendungspotenzial ist riesig. Extrem leistungsfähige Quantencomputer oder sichere Quantenkommunikationssysteme sind nur zwei Beispiele.

Das Münchner Zentrum für Quantenwissenschaften und -technologie (MCQST) hat das Ziel, ein umfassendes Verständnis quantenmechanischer Phänomene zu gewinnen und damit grundlegende Bauelemente, Materialien und Konzepte für Quantentechnologien voranzubringen. Die interdisziplinäre Forschung reicht von der Analyse der Verschränkung in Vielteilchensystemen bis zur Entwicklung einer neuen Generation quantenbasierter Geräte und Sensoren – wie skalierbare Quantencomputer, Sensoren für die Präzisionsmetrologie, sichere Kommunikationssysteme für den Alltag, Nanosensoren für lebende Zellen oder neuartige Quantenmaterialien.

An der TUM in Garching entsteht ein Forschungsneubau („Quantum Science & Technology“), dessen Finanzierung (40 Mio. Euro) sich der Bund und der Freistaat Bayern teilen. Sprecher seitens der TUM sind Prof. Rudolf Gross (Physik) und Prof. Ignacio Cirac (Physik / MPI für Quantenoptik).

Der MCQST-Cluster

• kombiniert Forschung aus Physik, Mathematik, Informatik, Materialwissenschaften, Chemie und Kosmologie im jungen und multidisziplinären Feld der Quantenwissenschaft und -technologie (QWT).
• treibt die Grundlagenforschung voran: für ein umfassendes Verständnis der Quantenverschränkung auf unterschiedlichsten Zeit-, Längen-, und Energieskalen.
• entwickelt Zukunftstechnologien: von neuartigen Quantenmaterialien über leistungsfähige Quanteninformationssysteme bis zu Techniken zur präzisen Steuerung und Kontrolle von Quantensystemen.
• vernetzt Münchner Forscherinnen und Forscher zu einem interaktiven und weltweit einmaligen Quantenforschungszentrum – bestehend aus über 30 Forschungsgruppen von TUM, Ludwig-Maximilians-Universität, Max-Planck-Institut für Quantenoptik und dem Walther-Meißner-Institut für Tieftemperaturforschung.

Die Entwicklung des Universums – vom „Urknall“ bis zur Entstehung des Lebens – ist eines der größten Geheimnisse der Menschheit; sie zu verstehen, bleibt eine der größten Herausforderungen der Wissenschaft. Aufbauend auf den weltweit beachteten Forschungsleistungen des Münchner Exzellenzclusters Universe (2006–2018) untersucht der neue Cluster ORIGINS die innerste Struktur des Universums wie auch den Ursprung des Lebens.

Hierzu wirken die Fachrichtungen Astrophysik, Astrobiologie, Biophysik und Teilchenphysik zusammen, um beispielsweise nach dem Zusammenhang zwischen der Planetenbildung und der Entstehung der ersten präbiotischen Moleküle zu suchen. Die Forschungslandschaft München – Garching gehört auf diesem Sektor zu den weltweit führenden Wissenschaftsstandorten. Sprecher auf Seite der TUM ist Prof. Stephan Paul (Physik).

Im Cluster ORIGINS

• arbeiten Forschende aus Astrophysik, Biophysik und Teilchenphysik zusammen.
• profitieren die Forscherinnen und Forscher vom weltweit einmaligen Umfeld in München und Garching: TUM, Ludwig-Maximilians-Universität, Max-Planck-Institute, Europäische Südsternwarte (ESO) und Leibniz-Rechenzentrum.

Der Exzellenzcluster „SyNergy – Munich Cluster for Systems Neurology“ erforscht, auf welche Weise neurologische Erkrankungen wie Multiple Sklerose und Alzheimer entstehen. Weil das Nervensystem hochkomplex ist, beeinflussen dort zahlreiche Prozesse die Entstehung neurodegenerativer Krankheiten.

Im Mittelpunkt der Münchner Forschung steht die Systemneurologie als neuer interdisziplinärer Ansatz. Der Cluster wird schon seit 2012 von der Exzellenzinitiative gefördert. Die enge Zusammenarbeit von Teams unterschiedlicher wissenschaftlicher Disziplinen hat sich als höchst erfolgreich erweisen. So wurde zum Beispiel entdeckt, dass bei Multipler Sklerose Abbauprodukte des Fettstoffwechsels Entzündungen an defekten Nervenfasern verstärken und die Heilung verhindern. Sprecher auf Seite der TUM ist Prof. Thomas Misgeld (Medizin).

In der neuen Förderphase wird der SyNergy-Cluster

• die fächerübergreifende Forschung der Fachrichtungen Systembiologie, Bioinformatik und Syste­mische Neuro­wissen­schaften mit der Klinischen Neurologie weiter ausbauen.
• die Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern aus Münchner Spitzen­ein­richtungen wie TUM, Ludwig-Maximilians-Universität, Deutschem Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen München, den Max-Planck-Instituten für Neurobiologie, Biochemie und Psychiatrie und dem Helmholtz Zentrum weiter vertiefen.
• ein zweites Forschungszentrum gründen, um das Zusammenspiel von Neuroinflammation und Neurodegeneration im Zusammenhang mit Multipler Sklerose zu untersuchen.
• forschende Medizinerinnen und Mediziner noch stärker in die system-neurologische Grundlagenforschung einbinden.

Fokus des CIPSM-Clusters war, die Eigenschaften von Proteinen und ihrer Netzwerke in einem umfassenden Ansatz zu erforschen, der genetische, (bio-)chemische und (bio-)physikalische Methoden verbindet. Das tiefere Verständnis der Eigenschaften und Funktionen der Proteine gibt Aufschluss über ihr biologisches Zusammenspiel, die Ursachen schwerwiegender Krankheiten und daraus abzuleitende, neue Therapieansätze.

Im CIPSM-Cluster kooperierten die TUM, die Ludwig-Maximilians-Universität, das Max-Planck-Institut für Biochemie und das Helmholtz Zentrum München.

Förderzeitraum: 2006–2017

Forschungsgegenstand des Exzellenzclusters CoTeSys waren intelligente Maschinen, die Menschen als Service-Roboter zur Hand gehen, sei es im häuslichen Umfeld oder in der industriellen Produktion. Im Mittelpunkt stand die Frage, wie sich kognitive Fähigkeiten wie Wahrnehmung, logisches Denken, Lernen und geplantes Handeln in technische Systeme integrieren lassen. Das Ziel war, Geräte und Roboter zu entwickeln, die autonom und „verständig“ mit Menschen zusammenarbeiten können, die sich also flexibel auf ihre Umgebung einstellen. Dafür entwickelte CoTeSys zum Beispiel ausgeklügelte Experimentiersysteme für Küchen- und Werkstattroboter und intelligente Lösungen für die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine.

Das interdisziplinäre Cluster vereinte Hirnforschung und Informatik, Biophysik, Psychologie und Maschinenbau. Damit war es ein wichtiger Vorläufer für die 2018 gegründete Munich School of Robotics and Machine Intelligence (MRSM), einem neuen Integrativen Forschungszentrum der TUM.

Im Cluster CoTeSys arbeiteten unter Federführung der TUM rund 100 Forscherinnen und Forscher der unterschiedlichsten Disziplinen aus drei Münchner Universitäten (TUM, Ludwig-Maximilians-Universität, Universität der Bundeswehr), dem Max-Planck-Institut für Neurobiologie und dem  Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen zusammen.

Förderzeitraum: 2006–2012

Neuen kohärenten Lichtquellen und lasergetriebenen Teilchenquellen mit nie dagewesenen Eigenschaften galt das Forschungsinteresse des Exzellenzclusters MAP. Dazu gehören extrem kurze Pulse, hohe Intensitäten und Energien. Die neuen Lichtquellen machen Anwendungen in Physik, Chemie, Biologie und Medizin möglich. Zum Beispiel helfen sie dabei, die Struktur von Biomolekülen aufzuklären und winzige Veränderungen im Gewebe zu beobachten. Wichtiges Ziel des Clusters: Die Tumorerkennung in sehr frühen Stadien sollte in neuen, effizienten Therapiemethoden resultieren.

Maßgeblich am MAP-Cluster beteiligt waren neben TUM und Ludwig-Maximilians-Universität das Max-Planck-Institut für Quantenoptik und das Helmholtz Zentrum München.

Förderzeitraum: 2006–2017

Das Exzellenzcluster NIM ist eines der weltweit führenden Zentren der Nanowissenschaften geworden. Sein Ziel war die Entwicklung, Herstellung und Kontrolle von multifunktionalen Nanosystemen für die Informationstechnologie, die Energieumwandlung und für medizinisch relevante Technologien. Zentraler Forschungsaspekt war die Integration solcher Nanosysteme in reale Umgebungen. Dazu arbeiteten Forscherinnen und Forscher aus Physik, Biophysik, Physikalischer Chemie, Biochemie, Pharmazie, Biologie, Elektrotechnik und Medizin im Münchner Raum zusammen.

NIM war ein gemeinsames Projekt von TUM, Ludwig-Maximilians-Universität, der Universität Augsburg, des Walther-Meißner-Instituts (Bayerische Akademie der Wissenschaften), der Max-Planck-Institute für Biochemie und Quantenoptik, des Helmholtz Zentrums München sowie des Deutschen Museums.

Förderzeitraum: 2006–2017

Das SyNergy-Cluster hat von München aus das neue Forschungsfeld der Systemneurologie etabliert und will die Mechanismen bei der Entstehung neurologischer Erkrankungen entschlüsseln. Dafür hat das Cluster die Grenzen von traditionell voneinander getrennten Domänen überwunden, nämlich die Erforschung der neurodegenerativen, inflammatorischen und vaskulären Erkrankungen. Ab 2019 soll Synergy dieses Ziel weiterverfolgen, wenn es auch in der neuen Exzellenzstrategie gefördert wird.

SyNergy ist ein Gemeinschaftsprojekt von TUM, Ludwig-Maximilians-Universität, der Max-Planck-Institute für Biochemie, Neurobiologie und Psychiatrie, des Helmholtz Zentrums München und des Deutschen Zentrums für Neurodegenerative Erkrankungen.

Förderzeitraum: 2012–2017

Erfolgreich in der Exzellenzstrategie 2019

Das Exzellenzcluster Universe hat sich zu einem der weltweit größten und aktivsten Forschungszentren auf den Gebieten der Physik, Astrophysik und Kosmologie entwickelt – mit einer einmaligen Kombination von Disziplinen. Hier erforschten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den Ursprung und den Aufbau des Universums (Materie, Energie, Raum, Zeit) sowie die Natur der Fundamentalkräfte. Sie gewannen bedeutende Erkenntnisse, etwa beim Verständnis von Sternexplosionen und der Bildung chemischer Elemente im Weltall. Der aktuelle Neuantrag „ORIGINS: Vom Ursprung des Universums bis zu den ersten Bausteinen des Lebens“ baut auf den großen Erfolgen der letzten Jahre auf.

Im Universe-Cluster forschten Physikerinnen und Physiker der TUM und der Ludwig-Maximilians-Universität in enger Zusammenarbeit mit den Max-Planck-Instituten für Physik, Astrophysik, Extraterrestrische Physik und Plasmaphysik, dem Leibniz-Rechenzentrum, dem Maier-Leibnitz-Zentrum und der Europäischen Südsternwarte (ESO) – eine weltweit einzigartige Kombination.

Förderzeitraum: 2006–2017

Nachfolgecluster ORIGINS: Erfolgreich in der Exzellenzstrategie 2019