Jahresbericht 2003

Jahresbericht 20 0 2 / 20 0 3Annual Report 20 0 2 / 20 0 3

E+B_GKSS JB A+B bis 37 28.08.2007 12:14 Uhr Seite 1

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H G F - Fo r s c h u n g s b e r e i c h eHGF Research Areas

SC HLÜ SS E LT EC HN O LO G IE NK EY TEC H N O LO G IES

E RDE UND UM W E LTEARTH AND ENVI R O NME N T

G ES UN D HE I THE A LT H

ST RUK T U R DER MAT E R I EST RU C T URE OF MATT E R


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Foreword: Radical ChangesGKSS in the HGF Association

Advanced Engineering Materials

Development of Shape-Memory-Polymers Computational Modelling of Ti t a n i u m -Aluminides (Ti A l )Wrought Magnesium Alloys

Coastal Research

Reconstruction of the Climate in the Last 500 Ye a r sFlood Forecasting and Wa t e r s h e dManagement for the Odra

Regenerative Medicine

Regenerative Medicine and Organ-Assist Sy s t e m s

Research with Photons, Neutrons and Ions

Structural Characterization of Soft Matterwith Neutron and Synchrotron Radiation

G KSS Technical Services

The Central Technical Services Depart m e n tThe FRG-1 Research Reactor

Facts and Figures

O r g a n i z a t i o nKey FiguresExternal Interactions ”Quantensprung” – the GKSS-School-LabI m p r i n tSite Maps – Addresses

Vo r w o rt: Tief greifende Neuausrichtung 4GKSS in der HGF-Struktur 10

Funktionale We r k s t o f f s y s te m e 16

Entwicklung von Fo r m g e d ä c h t n i s k u n s t s t o f f e n 16Modellierung des Ve rformungs- und Bruchverhaltens von Titan-Aluminiden (Ti A l ) 18Entwicklung von Magnesium-Knetlegi e r u n g e n 21

Kü s te n f o r s c h u n g 24

Klimarekonstruktion der letzten 500 Jahre 24Hochwasser und Flussmanagement 27

Regenerative Medizin 30

Regenerative Medizin und Organ unterstützendeSy s t e m e 30

Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen 32

Untersuchungen an weicher Materie mitNeutronen- und Sy n c h r o t r o n s t r a h l u n g 32

G KSS Service und Te c h n i k 38

Aus der Arbeit des Te c h n i k u m s 4 0Der Forschungsreaktor FR G - 1 4 2

Zahlen, Daten, Fa k te n 44

Organe und Gremien 4 6Ke n n z a h l e n 54GKSS und das Umfeld 58„Quantensprung“ – das Schülerlabor von GKSS 6 8I m p r e s s u m 71Lagepläne – Anschriften 72

S e i t e / Pa g e

G KSS - P r o g r a m m s c h w e r p u n k te G KSS Main Subject Areas


Liebe Leserinnen und Leser,

die Helmholtz Gemeinschaft realisiert die wohl tief greif-endste Neuausrichtung der deutschen Forschungseinrichtun-gen seit der Umstrukturierung der Forschung in den NeuenBundesländern: Die 15 Helmholtz-Zentren fokussieren undkonzentrieren sich auf die großen Herausforderungen unse-rer Zeit in sechs Forschungsbereichen:

■ Schlüsseltechnologien■ Erde und Umwelt■ Gesundheit■ Struktur der Materie■ Energie■ Luft- und Raumfahrt

In der Vergangenheit wurden die Helmholtz-Zentren indivi-duell zu 90% vom Bund und zu 10% von den jeweiligenBundesländern finanziert. Zukünftig werden die Forschungs-bereiche von den Zuwendungsgebern mit Geld ausgestattetund die Zentren bewerben sich mit in der Regel zentren-übergreifenden Programmen in Kooperation und Wettbe-werb über internationale Begutachtungen um diese Mittel.Die Forschungsbereiche ihrerseits sind in jeweils vier bissieben Programme aufgeteilt, die separat voneinanderfinanziert werden.

GKSS ist in vier Forschungsbereichen mit den folgendenProgrammen oder Teilprogrammen (Themen) beteiligt:

■ mit dem Programm Funktionale Werkstoffsystemeim Forschungsbereich Schlüsseltechnologien,

■ mit dem Thema Küstenforschung im ProgrammMARCOPOLI (Meeres-, Küsten und Polarforschung mitInfrastruktur) im Forschungsbereich Erde und Umwelt,gemeinsam mit dem Alfred-Wegener-Institut (AWI),

■ mit dem Thema Regenerative Medizin und Organunterstützende Systeme im ForschungsbereichGesundheit, gemeinsam mit dem ForschungszentrumKarlsruhe (FZK) und

■ mit dem Thema GeNeSys (Geesthachter Neutronenund Synchrotroneinrichtungen) im Programm For-schung mit Photonen, Neutronen und Ionen (PNI) imForschungsbereich Struktur der Materie, gemeinsam mitDESY, FZJ, GSI, FZK und HMI.

Basis für alle zukünftigen Finanzierungen werden regelmäßi-ge Begutachtungen im internationalen Wettbewerb sein, diezwar in der einen oder anderen Form bereits von allen Zen-tren in der Vergangenheit durchgeführt wurden, aber mit derNeustrukturierung in eine für alle Helmholtz-Zentren einheit-liche und vergleichbare Form gebracht werden.

Zwei wesentliche Aspekte stehen dabei im Vordergrund:1. Jedes Programm stellt sich im fünfjährigen Turnus einerinternationalen, prospektiven Begutachtung durch den Senatder HGF, bei der die zukünftigen, strategischen Zielsetzungenund die wissenschaftliche Qualität im Mittelpunkt stehen.2. Die operationell erbrachten Leistungen und Ergebnissewerden retrospektiv durch die wissenschaftlichen Beiräte derForschungseinrichtungen, ergänzt durch nationale und inter-nationale Experten, ebenfalls im fünfjährigen Turnus, aller-dings zeitlich versetzt, begutachtet, und zwar mit demSchwerpunkt auf der wissenschaftlichen Qualität und derVerwertung der Ergebnisse.

Diese zeitlich aufeinander abgestimmten Begutachtungender Zukunftsvisionen einerseits und der operationell erbrach-ten Leistungen andererseits bilden die Basis für eine ver-gleichbare, an der Leistung orientierten Ausrichtung derForschung innerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft.

GKSS hat sich im Jahre 2002 mit dem Thema Regenera-tive Medizin und Organ unterstützende Systeme imForschungsbereich Gesundheit an der prospektiven Begut-achtung durch den Senat der HGF beteiligt und hat eineherausragend gute Bewertung erreicht. Die Regenerationvon dreidimensionalen Zell- und Organstrukturen wird dieMedizin in den kommenden Jahrzehnten revolutionierenund den Weg für Alternativen zur Organtransplantation undImplantation von Werkstoffen bereiten. Mit der Begutachtungwird insbesondere der Standort Teltow in die Lage versetzt,die Schnittstelle zwischen Biomaterialien einerseits und Zell-und Gewebefunktion, Zellvermehrung und Zelldifferenzie-rung andererseits in den Mittelpunkt der Forschung zu stel-len und die eigene Arbeit nicht nur innerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft zu vernetzen, sondern darüber hinaus auchmit den umliegenden Universitäten und anderen For-schungseinrichtungen bis hin zum MIT in den USA.

Die Küstenforschung geht in diesem Jahr in die internatio-nale, prospektive strategische Helmholtz-Begutachtung. Sieist dabei Partner in einem mit dem AWI gemeinsam aufge-stellten Programm MARCOPOLI und damit Teil einer engen

Tief greifende Neuausrichtung

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Kooperation der beiden Helmholtz-Zentren, die einem virtu-ellen Institut mit konkreten, arbeitsteiligen Forschungspro-grammen entspricht. Wir sind auch für diese Begutachtungsehr zuversichtlich.

Im Jahre 2002 hat GKSS die in vielen Jahren erarbeitetenGrundlagen u. a. genutzt, um mit kurzfristig organisiertenMesskampagnen in Zusammenarbeit mit der Wassergüte-stelle Elbe während der Flutkatastrophe der Fachwelt genaueAngaben über die Belastung mit Schadstoffen in einzelnenFlussabschnitten zu liefern. GKSS hat in diesem Zusammen-hang sowie insbesondere in Fragen des Klimawandels undseiner Auswirkungen die Schnittstelle der Umweltforschungmit den Sozial-, Medien- und Gesellschaftswissenschaftenausgebaut und wird im Bereich der Küstenforschung auchdas Risk-Management mit systemanalytischen Methodenweiter stärken.

Die Vernetzung mit dem zur Christian-Albrechts-Universitätzu Kiel (CAU) gehörenden FTZ Büsum konnte in einem ers-ten Schritt realisiert werden. Seit 2002 verfügt GKSS damitauch über einen Standort an der Küste, zwar noch nicht dejure, aber immerhin de facto.

Die Funktionalen Werkstoffsysteme und GeNeSys wer-den im Jahr 2004 durch den HGF-Senat begutachtet. Wirsind auch für diese Begutachtungen sehr gut vorbereitet. Beider Entwicklung von Titanaluminiden ist unsere Forschungs-gruppe weltweit führend, was erneut auf der internationalbedeutenden Tagung in San Diego im März dieses Jahresbestätigt wurde. Attraktive Lizenzverträge konnten mit Schlüs-selfirmen im Bereich des Turbinenbaus abgeschlossen wer-den. Die Überlegenheit der bei GKSS entwickelten Legierun-gen beruhen ganz eindeutig auf einer breiten und langjähri-gen Grundlagenforschung, in die sowohl die vorhandenenKompetenzen der Modellierung auf verschiedenen Län-genskalenbereichen, als auch wesentliche strukturelle Er-kenntnisse aus der Neutronen- und Synchrotronstreuungeingeflossen sind.

Die Magnesiumforschung wurde weiter ausgebaut. Mehrerenationale und internationale Symposien mit Vertretern ausWissenschaft und Industrie haben eine breite Beachtung ge-funden, insbesondere auch die nanostrukturierten Magnesi-um-Wasserstoffspeicher.

Bei den Fügetechnologien ist insbesondere das Reibrühr-schweißen zu erwähnen, das zusammen mit der Luftfahrt-und der Automobilindustrie weiter entwickelt wird und bereits zu einer Firmengründung geführt hat. Die Arbeiten

zur Lebensdauer von Werkstoffsystemen haben in die eu-ropäische Normung Eingang gefunden und sind mit diversenPreisen ausgezeichnet worden. Die Membranaktivitäten sindweiter auf internationalem Erfolgskurs und ein GKSS-Mitar-beiter ist gerade Präsident der European Membrane Societygeworden.

Im Rahmen des Projektes GeNeSys werden die Geesthach-ter Neutronen- und Synchrotronstreuaktivitäten zur Struktur-analyse von Werkstoffen gemeinsam mit DESY, dem Helm-holtz-Zentrum in Hamburg, weiter ausgebaut. GKSS hat beiDESY das HARWI-Labor übernommen und wird dort eine Ex-perimentiereinrichtung aufbauen, die die Strukturanalyse mitNeutronen in idealer Weise durch orts- und zeitauflösendeAnalysemethoden ergänzen wird. Damit hat sich der GKSS-Forschungsreaktor FRG-I zusammen mit dem HARWI-Laborin deutschen Forschungseinrichtungen auf Materialforschungspezialisiert und mit einem modernen Gerätepark, der zufast 70% auch anderen Nutzern zur Verfügung steht, eineigenes Profil geschaffen.

Spezialisierung im internationalen Wettbewerb einerseits undNetzwerke im Umfeld andererseits waren über die vergange-nen Jahre das Ziel unserer strategischen Weichenstellungen.Diese Vorgehensweise hat uns zu einem attraktiven und ge-suchten Partner in der programmatischen Forschungsaus-richtung der Helmholtz-Gemeinschaft gemacht und bietetdie Chance, neue Komplexitätsebenen in der Forschung zuerreichen, wie es zukünftig auf allen Gebieten gefordert seinwird, in denen GKSS aktiv ist.

GKSS hat systematisch die Kooperation auf europäischerEbene ausgebaut. Projekte der Europäischen Union (EU)spielen eine zentrale Rolle bei der Einwerbung von Drittmit-teln. Über die vergangenen fünf Jahre haben wir die Förder-quote über EU-Projekte jährlich mit ca. 20% steigern könnenund liegen inzwischen bei ca. 5% der Gesamtmittel des For-schungszentrums. Vier Ziele konnte GKSS dabei erreichen:

• Ausbau der Kooperationen mit anderenSpitzeneinrichtungen in Europa

• Internationalisierung unserer Forschung• Stärkung der GKSS im internationalen

Wettbewerb und last but not least• Integration unserer Forschung in den

europäischen Forschungsraum.

Zukünftiges Ziel muss es sein, im 6. Rahmenprogramm derEU die GKSS-Forschung in europäischen Forschungsstruk-turen weiter fest zu etablieren und damit nicht nur einen

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Beitrag zur Stärkung der Europäischen Forschung im globa-len Wettbewerb zu leisten, sondern auch aktiv zur Integrati-on des erweiterten Europas beizutragen.

THEORIA CUM PRAXI, die Verknüpfung von Grundlagenfor-schung und Anwendung, war eines der Leitmotive von Gott-fried Wilhelm Leibniz, als er die Brandenburgische Sozietätder Wissenschaften im Jahre 1700 gründete. Die großenGelehrten der darauf folgenden Jahrhunderte, wie z. B. Edi-son oder Röntgen, haben, wie von Leibniz eingefordert, wis-senschaftliche Erkenntnisforschung mit dem direkten Nutzenfür die Gesellschaft verbunden.

Ein prominenter Vertreter dieser Wissenschaftsauffassungwar auch der Namensgeber der Helmholtz-Gemeinschaft,Hermann von Helmholtz, der neben seinen grundlegendenForschungsarbeiten in den Naturwissenschaften und derMedizin auch die technologische Nutzung der Forschungser-gebnisse für die Gesellschaft selbst betrieben hat.

THEORIA CUM PRAXI ist – 300 Jahre später – auch das Leit-motiv des GKSS-Forschungszentrums. Auf der einen SeiteGrundlagen- und Erkenntnisforschung mit dem Ziel, die Wis-sensbasis der Gesellschaft maßgeblich zu bereichern. Auf der anderen Seite das Ziel, dieses additionelle Wissenals Motor für Innovationen in Form von Lizenzen an die In-dustrie oder aber über Firmengründungen der eigenen Mit-arbeiterinnen und Mitarbeiter der Wirtschaft der Region unddes Landes zur Verfügung zu stellen. Einerseits Publikatio-nen in international renommierten Zeitschriften, verbundenmit wissenschaftlichen Preisen und Auszeichnungen. Ande-rerseits ca. 20 Patente und zwei Firmengründungen proJahr, verbunden mit Lizenzeinnahmen, über die die Patent-politik und die Verwertungsanstrengungen der GKSS voll fi-nanziert werden können.

GKSS wird auch in der Zukunft gefordert sein, sein Profil im-mer wieder neu an den Herausforderungen der Zukunft zumessen. Wir sind darauf vorbereitet

• mit Spitzenleistungen in der Forschung die Wissensbasisder Gesellschaft sichtbar zu bereichern,

• mit Wissenschaft als Motor für Innovationen die Wirt-schaftskraft der Region und des Landes zu stärken,

• mit kontinuierlicher Fortbildung vom Schülerlabor bis zurPatentpolitik den Nachwuchs und Unternehmensgrün-dungen zu fördern,

• mit einer kollegialen und zielgerichteten Unternehmens-kultur im Umgang miteinander die Fokussierung auf diewichtigen Themen unserer Zeit zu erreichen und last butnot least

• mit Spaß an der Arbeit und Freude am Erfolg ein kreati-ves und innovatives Forschungsumfeld zu schaffen.

Liebe Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter,

in den vergangenen fast elf Jahren meiner Tätigkeit beiGKSS haben Sie sich ganz persönlich engagiert, die Heraus-forderungen, die an uns herangetragen wurden, anzuneh-men, und Sie haben dazu beigetragen, an der Gestaltungunserer Zukunft, die teilweise schon wieder Vergangenheitund Gegenwart ist, aktiv mitzuarbeiten. Es war eine ereignis-reiche Zeit, in der wir es gemeinsam geschafft haben, GKSSals einen festen und attraktiven Partner mit zukunftsweisen-den Forschungsthemen in der Helmholtz-Gemeinschaft undim europäischen Forschungsraum zu etablieren und die Torefür die Zukunft zu öffnen.

Die Geschäftsführung und ich ganz persönlich danken Ihnenfür die geleistete Unterstützung auf diesem Wege, den wirohne Ihr Engagement und Ihren Einsatz nicht hätten gehenkönnen. Die Geschäftsführung dankt aber auch all denen,die uns auf diesem Wege begleitet haben, dem Aufsichtsrat,dem technisch-wissenschaftlichen Beirat, den beratendenGremien bei Berufungen und bei Begutachtungen und denPartnern in Wissenschaft und Wirtschaft, mit denen wir indieser Zeit zusammenarbeiten durften.

Günter von SengbuschwissenschaftlicherGeschäftsführer


Dear Readers,

The Hermann von Helmholtz Association of German Re-search Centres is currently carrying out the most compre-hensive reorganization of German research institutions sincethe restructuring of the research activities in the new Ger-man states (former East Germany). The 15 Helmholtz cent-res will concentrate their efforts on the major challenges ofour time in six research areas:

■ Key Technologies■ Earth and Environment■ Health■ Structure of Matter■ Energy■ Aerospace

Hitherto, the Helmholtz centres received their funding (90percent from the federal government and 10 percent fromthe respective federal states) on an individual basis. In thefuture, the research areas mentioned above will be fundedand the centres will apply for these funds through compe-ting programmes, which will be evaluated by internationalgroups of experts. In general, the programmes will involvemore than one centre. Each research area is divided intofour to seven programmes that will be financed individually.

GKSS will be participating in four research areas through thefollowing programmes and topics:

■ with the programme Advanced EngineeringMaterials in the research area Key Technologies,

■ with the topic Coastal Research in the MARCOPOLIprogramme (Marine, Coastal and Polar research withInfrastructure) in the research area Earth and theEnvironment, in cooperation with the Alfred-WegenerInstitute (AWI),

■ with the topic Regenerative Medicine and Organ-Assist Systems in the research area Health, togetherwith the Research Centre Karlsruhe (FZK) and

■ with the topic GeNeSys (Geesthacht Neutron andSynchrotron Facilities) in the programme Researchwith Photons, Neutrons and Ions (PNI) in the researcharea Structure of Matter, together with DESY, FZJ, GSI,FZK and HMI.

The basis for all future funding will be regular internationalevaluations. Such evaluations have already been carried outin the past in one form or another by all centres. However,within the new system, they will be conducted in a uniformand comparable way for all Helmholtz centres. Two aspectsare particularly important in this regard:

1. Every five years, each programme will undergo an inter-national evaluation of its prospects by the Senate of theHGF. Here, the main focus will be on the future strategicgoals and the quality of the science involved.2. The operational performance and results will also beevaluated retrospectively by the scientific councils of the re-search centres, which will be supported in this task by addi-tional national and international experts. The focus of theseevaluations, which will also take place at five year intervals,albeit staggered with respect to the above, will be on thequality of the science and the dissemination of the results.

These regularly scheduled evaluations of the future visionson the one hand and of the operational performanceachieved on the other will provide the basis for a com-parative, performance-based orientation of the researchconducted within the Helmholtz Association.

In 2002, GKSS participated in the HGF Senate’s evaluationof the prospects of the topic Regenerative Medicine andOrgan-Assist Systems in the research area Health andachieved an excellent result. The regeneration of three-dimensional tissue and organ structures will revolutionizemedicine in the coming decades and pave the way foralternatives to organ transplantation and artificial implants. As a result of this evaluation, the centre in Teltow in parti-cular will concentrate its research activities on biomaterialson the one hand and cell and tissue function, propagationand differentiation on the other. This will enable the Teltowcentre to establish attractive networks, both within the Helm-holtz community and beyond, with universities and otherresearch institutions, including the MIT in the United States.

This year, the GKSS topic Coastal Research will undergothe international, strategic evaluation of its prospects by theHelmholtz Senate. This GKSS topic is a part of the jointMARCOPOLI programme proposed by the GKSS and theAWI Helmholtz centres. In essence, this combined effort willcorrespond to a virtual institute with concrete researchprogrammes in which the work is shared. We are veryoptimistic about the results of this evaluation.

Radical Changes

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In 2002, GKSS drew on its long-standing experience to con-duct emergency measurement campaigns in cooperationwith Elbe river water officials during the disastrous flooding ineastern Germany, in order to provide experts with preciseinformation about the pollution levels in individual river sec-tions. In this context and, in particular, in connection withquestions involving climatic change and its impact, GKSS hasextended its competence to cover the linkage between en-vironmental research and socio-economic, media and socio-political issues. We will also work to further strengthen riskmanagement in the area of coastal research by the applica-tion of system-analytical methods.

A first step has been taken with regard to establishing apartnership with the FTZ Büsum, part of the Christian Al-brechts University of Kiel. As a result, GKSS has had accessto a site located directly on the coast since 2002. This is notyet de jure, but already has become de facto.

In 2004, the HGF senate will evaluate the GKSS programmeAdvanced Engineering Materials and the topic GeNeSys.We are also very well prepared for these evaluations. In thedevelopment of titanium aluminides our research group isthe world leader, a fact once again confirmed at the impor-tant international conference in San Diego this March. Attrac-tive licensing contracts have been signed with key compa-nies in the turbine manufacturing field. The superiority of thealloys developed by GKSS is the clear result of many yearsof wide-ranging basic research, in which our expertise inmodelling on different length scales and in extracting funda-mental structural knowledge from neutron and synchrotronradiation scattering experiments has also played a significantrole.

Our activities in the field of magnesium research have beenfurther expanded and several national and internationalsymposia involving representatives from science and industryhave received wide acclaim — as has our research onnanostructured magnesium-hydrogen storage in particular.

In the field of joining technologies, our work on friction stirwelding — a process which we have further developed incollaboration with the aerospace and automotive industriesand has already led to the foundation of a new company —deserves special mention. Work on the lifetime of materialsystems has now found its way into European standards and has obtained a variety of awards. Work in the field ofmembranes continues to make good progress on the inter-national level and a GKSS employee has just been appoin-ted President of the European Membrane Society.

The Geesthacht-based research activities using neutron andsynchrotron radiation scattering to investigate the structure ofmaterials have also been expanded. These activities, whichare being carried out in collaboration with DESY (the Helm-holtz centre in Hamburg), form part of the GeNeSys project.GKSS has now taken over the HARWI laboratory at DESY,where an experimental facility is planned that will provide arange of analytical methods with high temporal and spatialresolutions. These new techniques will ideally complementour structural analysis activities based on neutron scattering.This combined facility involving the FRG-I research reactor atGKSS together with the HARWI laboratory will provide theGerman research community with a unique range of specia-lized equipment dedicated to materials research. Externalusage of these facilities is currently almost 70 percent.

In recent years, we have pursued a dual strategy at GKSS: on the one hand, specialization in international competition;and, on the other, the development of domestic networks.This approach has made us into an attractive, sought-afterpartner within the Helmholtz Association’s programme-based research. At the same time, it offers our research thechance to attain new levels of complexity, as indeed will benecessary in all the areas in which GKSS is active in the future.

GKSS has systematically intensified the degree of its coope-ration on the European level. Today, European Union (EU)projects contribute a major share of our external funding.Over the past five years, the proportion of research fundingaccounted for by EU-sponsored projects has increased byapproximately 20 percent annually and now constitutesaround five percent of the centre’s total budget. In turn, thishas enabled GKSS to achieve four goals:

• To intensify our cooperation with other leading institutes in Europe

• To make our research activities even more international in scope

• To strengthen our standing within the international research scene

• To integrate our activities within the European research scene

Our future objective must be to anchor GKSS’ research even more firmly within the European research environmentby means of our participation in the EU’s 6th FrameworkProgramme. In this way, we will not only be helping tostrengthen European research at the international level butalso playing an active role in promoting the forces of inte-gration throughout the enlarged Europe.


THEORIA CUM PRAXI, the integration of basic research andapplications, was one of the leitmotifs of Gottfried WilhelmLeibniz when he founded the Brandenburgische Sozietät derWissenschaften in 1700. In subsequent centuries, the grea-test inventors such as Edison or Röntgen, worked as Leibnizsuggested — combining knowledge gained from scientificresearch with applications of direct benefit to society.

Another prominent representative of this scientific philoso-phy was the man after whom the Helmholtz Association wasnamed, Hermann von Helmholtz. In addition to his funda-mental scientific and medical research, Helmholtz promotedthe technical applications of research findings for the good ofsociety.

THEORIA CUM PRAXI remains — 300 years later — the un-derlying philosophy of the GKSS research centre. On the onehand, targeted fundamental research with the aim of sub-stantially enriching society’s basis of knowledge and on theother hand, the use of this additional knowledge as an en-gine for innovation in the form of licenses to industry or viathe establishment of companies by employees. These, inturn, can serve the economy of the region and the state. Onone side, articles published in internationally respected pub-lications, combined with scientific prizes and awards. On theother, approximately 20 patents and the establishment oftwo start-up companies each year, combined with the in-come from licensing fees with which the patent policy anddissemination activities of the GKSS can be fully financed.

In the future, GKSS will continue to measure up to thechallenges of tomorrow. We will meet these challenges head on with

• first-class research that will visibly enrich society’s basis ofknowledge,

• science as an engine for innovation that will strengthenthe economy of the region and the state,

• continuing further education and training (from schoollaboratories to patent policy) that will support up-and-coming scientists and start-up companies,

• a fraternal, objective-orientated entrepreneurial culture thatwill focus on the important issues of the day in our dea-lings with one another and, finally,

• enjoyment on the job and the pleasure in success that willdevelop a creative and innovative research environment.

Dear Colleagues,

In the past 11 years of my work at the GKSS, you haveshown great personal commitment in helping us master thechallenges we have had to face. In this way, you have madea major contribution to shaping the future, which, to someextent, has already become a part of our past and present. Ithas been an eventful time, during which we have workedtogether to make GKSS an established and attractive partner,with forward-looking research projects, both within the Helm-holtz Association and on the European research scene.Together, we have opened the door to the future.

The centre’s management and I personally would like to takethis opportunity to thank you for all your work. Without yourpersonal dedication and commitment, we could never haveachieved so much. Above all, the centre’s managementwould like to thank all of those who have accompanied uson this journey of discovery: the Supervisory Board, theTechnical and Scientific Advisory Group, the committees onappointments and evaluations and the scientific and busi-ness partners with whom we have had the pleasure to work.

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Günter von SengbuschManaging Director Scientific Affairs


■ Schlüsseltechnologien■ Erde und Umwelt■ Gesundheit■ Struktur der Materie■ Energie■ Luft- und Raumfahrt

GKSS ist dabei an den ersten vier deroben genannten Forschungsbereichenbeteiligt. Die Forschungsbereiche sindjeweils in mehrere Programme unter-teilt. Diese Forschungsprogramme wer-den regelmäßig durch internationaleGremien begutachtet. Auf dieserGrundlage erfolgt die Budgetierung derHaushalte einzelner HGF-Zentren(daher: „Programmförderung").

■ Das GKSS-lnstitut für Werkstofffor-schung bearbeitet gemeinsam mitdem GKSS-Institut für Chemie dasProgramm „Funktionale Werkstoffsys-teme" im Forschungsbereich„Schlüsseltechnologien".

■ Das Institut für Küstenforschung der GKSS ist gemeinsam mit demAlfred-Wegener-Institut (AWI) inBremerhaven im Forschungsbereich„Erde und Umwelt" an demProgramm MARCOPOLI (Meeres-,Küsten- und Polarforschung mitInfrastruktur) beteiligt.

■ Der Institutsteil Teltow im GKSS-ln-stitut für Chemie bringt gemeinsammit dem Forschungszentrum Karls-ruhe (FZK) seine Arbeiten in dasProgramm „Regenerative Medizinund Organ unterstützende Syste-me" im HGF-Forschungsbereich„Gesundheit" ein.

■ GeNeSys (Geesthachter Neutronenund Synchrotroneinrichtungen)steht für das Programm „Forschungmit Photonen, Neutronen und Io-nen (PNI)" im HGF-Forschungsbe-reich „Struktur der Materie". Daranbeteiligt sind auch die HGF-ZentrenDESY, FZJ, GSI, FZK und HMI.

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Die Forschung in der Helmholtz-Gemeinschaft wurde sechs Forschungsbereichenthematisch zugeordnet. Die Forschungsbereiche lauten:


H G F - Fo r s c h u n g b e r e i c h eund Programme

S c h l ü s s e l te c h n o l o gi e n :

• Funktionale Werkstoffsysteme• Informationstechnik und

Nanoelektronik• Mikrosystemtechnik• Nanotechnologie• Wissenschaftliches Rechnen

Erde und Umwelt:

• MARCOPOLI (Meeres-, Küsten-und Polarforschung mit Infrastruktur)

• Erde im Wandel• Atmosphäre und Klima• Biogeosysteme im globalen Wandel• Lebensqualität, biologische Vielfalt

und Nachhaltigkeit in Landschaften• Nachhaltigkeit und Technologie-

entwicklung

G e s u n d h e i t :

• Regenerative Medizin undOrgan unterstützende Systeme

• Herz-Kreislauf- und Stoffwechsel-erkrankungen

• Krebsforschung• Funktion und Dysfunktion des

Nervensystems• Infektion und Immunität• Umweltbedingte Störungen der

Gesundheit• Vergleichende Genomforschung

Struktur der Mate r i e

• Großgeräte für die Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen (PNI)

• Elementarteilchenphysik• Astroteilchen-Physik• Hadronen- und Kernphysik• Kondensierte Materie

G KSS - P r o g r a m m s c h w e r p u n k teund Th e m e n

Funktionale We r k s t o f f s y s te m e

• Metallische Leichtbauwerkstoffe • Funktionale Polymersysteme• Modellierung von Werkstoffsystemen

M A R COPOLI (Meeres-, Kü s ten- undPo l a rforschung mit Infrastruktur)

• Küstenregion im Wandel• Wandel, Szenarien und

Handlungsoptionen im Küstenraum• natürliche marine Ressourcen

und Aquakultur

Regenerative Medizin undOrgan unterstützende Syste m e

• Schaffung von Biohybridorganen und speziellen Therapien zurOrganunterstützung

• Tissue Engineering von Gewebenund Organen

Großgeräte für die Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen (PNI)

• Strukturaufklärung• Unterstützung der gezielten

Material- und Bauteilentwicklung• Ermittlung von Basisdaten

für die Modellierung

■ ■ Zu den HGF-Forschungbereichen Energie und Luft- und Raumfahrt bestehen Synergien zum GKSS-Programmschwerpunkt Funktionale Werkstoffsysteme.

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■ Key Technologies■ Earth and Environment■ Health■ Structure of Matter■ Energy■ Aerospace

GKSS is involved in the first four re-search areas mentioned. Each researcharea is divided into several programmes,which will be evaluated on a regularbasis by international committees. The results of these audits will be used to determine the budgets of theindividual HGF centres (“programmefunding”).

■ The GKSS lnstitute for MaterialsResearch and the GKSS Institute ofChemistry are jointly running the“Advanced Engineering Materials”programme in the “Key Technolo-gies” research area.

■ Together with the Alfred WegenerInstitute (AWI) in Bremerhaven, theGKSS Institute for Coastal Researchis participating in the “Earth and En-vironment” research area with theMARCOPOLI programme (Maritime,Coastal and Polar research withInfrastructure).

■ A project focussing on the topic“Regenerative Medicine and Organ-Assist Systems” is being carried outby the GKSS lnstitute of Chemistry’sTeltow facility in conjunction withthe Karlsruhe Research Centre(FZK). Their work forms part of theHGF’s “Health” research area.

■ GeNeSys (Geesthacht Neutron andSynchrotron facilities) is part of the“Research with Photons, Neutronsand Ions” (PNI) programme in theHGF’s “Structure of Matter” researcharea. The HGF centres DESY, FZJ,GSI, FZK and HMI are also participa-ting in this programme.

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Research at the Helmholtz Association is conducted in the following research areas:


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■ ■ Synergies exist between the GKSS main subject area Advanced Engineering Materials and the HGF research areas Energy and Aerospace.

HGF Research Areasand Programmes

Key Te c h n o l o gi e s

• Advanced Engineering Materials • Information Technology

and Nanoelectronic• Microsystem Technologies • Nanotechnology• Scientific Computing

E a rth and Environment

• MARCOPOLI (Marine, Coastal and Polar Research with Infrastructure)

• Geosystem: The Changing Earth• Atmosphere and Climate• Biogeosystems: Dynamics,

Adaptation and Adjustment• Sustainable Use of Landscapes• Sustainable Development

and Technology

H e a l t h

• Regenerative Medicine and Organ-Assist Systems

• Cardiovascular and Metabolic Disease Research

• Cancer Research• Diseases of the Central

Nervous System • Infection and Immunity • Environment Related Diseases • Comparative Genome Research

Structure of Matte r

• Large Scale Facilities for Research with Photons, Neutrons and Ions

• Elementary Particle Physics • Astroparticle Physics • Physics of Hadrons and Nuclei• Condensed Matter Physics

G KSS Main Subject Areas and Research To p i c s

Advanced Engineering Mate r i a l s

• Metallic Light-Weight Materials• Functional Polymer Systems• Computational Materials Research

MARCOPOLI (Marine, Coastal and Polar Research with Infrastructure)

• Causes of Coastal Change• Changes, Scenarios and OperationalAssessment of the Coastal Environment

• Natural Marine Resources andMariculture

Regenerative Medicine and Organ-Assist Syste m s

• Biohybrid Organs and SpecialTherapies for Organ Support

• Tissue Engineering

Large Scale Facilities for Research with Photons, Neutrons and Ions (PNI)

• Structure Analysis• Support for the Targeted Development

of Materials and Components• Generation of Basic Data

for Modelling Purposes


B e r i c h te aus den Fo r s c h u n g s b e r e i c h e nR e p o rts from the Research Areas


Am Institut für Chemie werdenMaterialien mit Formgedächtnis-eigenschaften für den Einsatz immedizinischen und industriellenSektor entwickelt. Grundlage die-ser zukunftsweisenden Schlüssel-technologie sind Polymersysteme(eine Gruppe von Polymeren), indenen die Eigenschaften desKunststoffs bereits durch kleineÄnderungen in der chemischenStruktur über weite Bereiche vari-iert werden können. Das Konzeptberuht auf einer so genanntenPlattformtechnologie.

Dabei konzentriert man sich nicht inerster Linie auf einen einzelnen Kunst-stoff, sondern hat eine Art „Baukasten“und kann die gewünschten Material-eigenschaften auf eine mögliche An-wendung hin maßschneidern. DerFormgedächtniseffekt bedeutet, dassein Material neben seiner sichtbarentemporären Form noch eine perma-nente Gestalt gespeichert hat, die beiBedarf durch Anwendung eines Stimu-lus, wie zum Beispiel einer Temperatur-erhöhung oder einer Bestrahlung mitUV-Licht, nahezu exakt wieder abge-rufen werden kann.

Die Kunststoffe funktionieren wie eineArt „Schnappverschluss“, indem siesich ihre Ursprungsform „merken“ und

diese nach Applikation des Stimuluswieder einnehmen. Dieser Effekt kannim Sinne einer Selbstreparatur der ausden Materialien hergestellten Formkör-per genutzt werden. Zudem lassen sichsolche Kunststoffe biologisch verträg-lich und bioabbaubar gestalten. Sokönnten viele technische Neuerungenim Bereich der Medizintechnik verwirk-licht werden. Leistungsfähigkeit, Wirt-schaftlichkeit und Akzeptanz vieler me-dizinischer Produkte und Systeme hän-gen entscheidend von den Entwicklun-gen im Bereich der Biomaterialien ab.In diesem Umfeld sind die entwickel-ten Polymere mit Formgedächtnis einewichtige Gruppe neuer Materialien. Für den Bereich der minimalinvasivenMedizin können die Kunststoffe so

Schlüsseltechnologien • Key Technologies

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Entwicklung von Fo r m g e d ä c h t n i s k u n s t s t o f f e n

Modell eines Formgedächtniskotflügels aus einemthermoplastischen Formgedächtnispolymer, dernach einem Unfall mit Hilfe eines Heißluftföhnswieder in Form gebracht werden kann.

Model of a shape-memory fender made from athermoplastic shape-memory polymer, which canbe straightened out after accidental deformation bymeans of a heat gun.

Vorführung von Formgedächtniskunststoffen. Demonstration of shape-memory polymers.


Funktionale Werkstoffsysteme • Advanced Engineering Materials

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programmiert werden, dass sie sich,ausgelöst durch eine steuerbare Ener-giezufuhr (z.B. Temperaturerhöhung),ausdehnen und so an anatomischeHohlräume anpassen. Hierdurch kannein Implantat sicher im Körper desPatienten verankert werden. Darüberhinaus besitzen sie eine Reihe vonEigenschaften, die in dieser Formbisher nicht auf dem Markt verfügbarwaren; durch ihre Zell- und Gewebe-kompatibilität und ihre steuerbareAbbaugeschwindigkeit stehen maß-geschneiderte Implantatmaterialien zurVerfügung. Aufgrund der beschriebe-nen Resorbierbarkeit der Materialienentfallen mögliche Folgeoperationender behandelten Patienten.

Die Bilderserie „VW“ demonstriert ein-drücklich die Leistungsfähigkeit dieserFormgedächtnispolymere beim Einsatzals Formteil. Der Kunststoff, der alspermanente Form zu einem Kotflügelverarbeitet wurde, wurde durch Kraft-einwirkung im Sinne eines Unfalls de-formiert. In seiner temporären Formweist der Kotflügel eine Beule auf. Un-ter Einwirkung von Heißluft wird diepermanente Form nach dem Auslösendes Formgedächtniseffekts bei Errei-chen der Schalttemperatur wieder her-gestellt. Bei entsprechend optimiertenProgrammierungsbedingungen wirddie permanente Form mit einer Prä-zision von über 99% reproduziert.

Ein Beispiel für eine Anwendung imBereich der Knopflochchirurgie stelltein sich selbst zusammenziehenderKnoten dar. Während einer minimal-invasiven Operation ist es für denChirurgen teilweise eine äußerst an-spruchsvolle Aufgabe, in dem engenOperationsfeld komplexe Bewegungenauszuführen, wie etwa eine Wunde imKörperinneren fachgerecht zu ver-nähen. Aus einem thermoplastischenFormgedächtnispolymer konnte kürz-lich ein chirurgischer Faden hergestelltwerden, der sich selbst verknotet undsich gewebeverträglich auflöst,während die Wunde verheilt.

The Institute of Chemistry is developingshape-memory polymer systems forbiomedical and industrial applications.This key technology is based on poly-mer systems, families of polymers, inwhich macroscopic properties can betailored over a wide range for a specificapplication by only small changes inthe chemical structure. Shape-memorypolymers are self repairing, they havethe capability to store a permanentshape. In the case of deformation to atemporary shape, they are able to reco-ver their original shape exactly uponexposure to an external stimulus, e. g.

an increase in temperature or irradiati-on with UV-light. These materials havehigh potential for applications in medi-cine, e.g. in minimally invasive surgery.Degradable implants could be insertedinto the human body in a compressed(temporary) shape through a small in-cision. After a defined time period, theimplant is degraded and becomes re-sorbed. In this case follow-on surgeryto remove the implant is not necessary.Two different examples of shape-me-mory polymer devices are shown. A shape-memory fender and a self-tightening knot.

Development of Shape-Memory-Po l y m e r s

Sich selbst zusammen-ziehender Knoten Self-tightening knot

Ein Faden aus einem thermoplastischen Formge-dächtnispolymer wurde durch Dehnen auf 200%programmiert. Nach dem Formen eines losen Kno-tens wurden beide Fadenenden fixiert. Die Bilder-serie zeigt, wie sich der Knoten bei Erwärmen über40°C innerhalb von 20 Sekunden zusammenzieht.

A fiber of a thermoplastic shape-memory polymerwas programmed by stretching about 200%. Afterforming a loose knot, the two ends of the filamentwere fixed. The photo-series shows how the knottightens in 20 seconds when heated to 40°C.

Probeninstallation für einen Zug-Dehnungs-Test.

Installing a sample for tensile testing.



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Modellierung und Simulation desWerkstoff- und Bauteilverhaltensgewinnen zunehmende Bedeu-tung, wenn es um kostengünstigeund zuverlässige Aussagen zurIntegrität von Bauteilen geht. Diesgilt insbesondere für die hohenAnforderungen an Sicherheit undZuverlässigkeit von Leichtbaukonst-ruktionen in der Verkehrstechnik.

Titanaluminide sind moderne Hoch-temperatur-Leichtbauwerkstoffe für Tur-binenschaufeln in Flugzeugtriebwerken.Die extremen thermo-mechanischenBeanspruchungen verbunden mit ho-hen Anforderungen an Bauteilintegritäterfordern präzise und zuverlässige Be-wertungsmethoden für die schadensto-lerante Auslegung. Neue Entwicklun-gen der Modellierung berücksichtigenzunehmend den komplexen Aufbauder Mikrostruktur. Mit Hilfe dieser Mo-delle kann der Einfluss des Gefügesauf mechanische Eigenschaften aufge-zeigt werden. Durch numerische Simu-lationen können Werkstoffe und Bau-teile im Hinblick auf die Betriebsbean-spruchungen optimiert werden.

Titanaluminide sind neue Leichtbau-werkstoffe für den Hochtemperatur-Einsatz, die derzeit an der Schwelle zurindustriellen Anwendung stehen. ImGKSS-Forschungszentrum ist eine neueWerkstoffgeneration entwickelt worden,die die hohen Anforderungen für dieAnwendung in Flugzeugtriebwerkenund stationären Gasturbinen erfüllt.Solchen Werkstoffen wird jedoch vielabverlangt: Sie sollen leichter sein alsdie bisher verwendeten Nickel-Basis-Superlegierungen, eine hohe spezifi-sche Steifigkeit besitzen, temperatur-und korrosionsbeständig sein, eineausreichende Duktilität aufweisen undinsgesamt eine hohe Zuverlässigkeitgegen Versagen gewährleisten. Ange-sichts der positiven Eigenschaften und

des daraus resultierenden Marktpoten-zials wird die Entwicklung von Legie-rungen auf Titanaluminidbasis weltweitintensiv vorangetrieben.

Neben der Herstellung und Verarbei-tung des Werkstoffs ist die sichere Be-herrschung von Bauteilkomponentenunter Betriebsbedingungen eine unab-dingbare Voraussetzung für die Akzep-tanz und Durchsetzung neuer Werk-stoffe auf dem Markt. Zwar könnenheute mit modernen computergestütz-ten Designmethoden komplexe Syste-me rasch konstruiert werden. Die füreine Freigabe erforderlichen Tests vonder Werkstoffprüfung bis zum Prototypeines Bauteils sind aber sehr zeit- undkostenintensiv. Numerische Simulatio-nen und Berechnungsmethoden fürdie schadenstolerante Auslegung kön-nen hier Zeit und Kosten sparen beigleichzeitiger Erhöhung der Zuverlässig-keit der gewonnenen Aussagen. Überdie Bauteilauslegung hinaus werdenvon einem umfassenden Bauteilbewer-tungskonzept Aussagen über Versa-genswahrscheinlichkeiten, erwarteteLebensdauer und Inspektionsintervalleerwartet. Unter realen Betriebsbedin-gungen werden Bauteile durch mecha-nische, thermische und korrosive Bean-spruchungen geschädigt und erreichendaher nur eine begrenzte Lebensdauer.Es sind deshalb nicht nur die Werk-stoff- und Bauteileigenschaften bei derHerstellung, sondern auch ihre Verän-derungen im Betrieb zu berücksichti-gen.

In dieser Kette von der Werkstoffher-stellung bis zu seinem Einsatz als Bau-teil kommt der computergestütztenModellierung und Simulation einewichtige Bedeutung zu. Die Rechenleis-tung moderner Computer erlaubt einezunehmend verfeinerte Berechnungmit immer komplexeren Modellen, mitder zuverlässige Vorhersagen des Bau-teilverhaltens aus neuen Werkstoffenmöglich werden. Hierfür sind neue Ma-

terialmodelle zu entwickeln und zu ve-rifizieren, die die wesentlichen physika-lischen Eigenschaften und Phänomeneerfassen und beschreiben. Sie müssendurch Simulationen für verschiedeneGeometrien und Beanspruchungen imVergleich zu entsprechenden Experi-menten validiert werden. Dabei ent-scheidet sich, wie realitätsnah die neu-en Modelle das Verformungs- undSchädigungsverhalten des betrachtetenWerkstoffs bis hin zum Versagen desBauteils vorhergesagt werden können.

Für die neue Generation der Titanal-uminide wurde ein mikromechanischbegründetes Modell entwickelt, das dienumerische Simulation des Verfor-mungs- und Bruchvorgangs für quasistatische Beanspruchungen möglichmacht. Diese Arbeiten waren Inhalt ei-nes Projektes im Sonderforschungsbe-reich 371 "Mikromechanik mehrphasi-ger Werkstoffe", das gemeinsam mitder Technischen Universität Hamburg-Harburg durchgeführt wird.

Die Werkstoffmodellierung ist für dieAnwendung innerhalb der Methodeder Finiten Elemente formuliert, die zu-nehmend in nahezu allen Ingenieurdis-ziplinen Anwendung findet. Ein Bauteilwird dabei mathematisch in kleine(finite) Volumenelemente aufgeteilt,innerhalb derer die Verformungs- undBruchvorgänge durch lokale konstituti-ve Gleichungen beschrieben werden.Die finiten Elemente sind über die Ver-schiebungen ihrer Eckknoten miteinan-der gekoppelt, und die Gesamtheit al-ler Elemente, die das Bauteil bilden,muss die Gleichgewichts- und Randbe-dingungen erfüllen. Randbedingungensind die von außen auf das Bauteil ein-wirkenden Lasten, wie Druck auf dieOberflächen oder Massenkräfte durchGewicht und Beschleunigungen. Dasüber ein Minimalprinzip aufgestellteGleichungssystem zur Erfüllung desGleichgewichts enthält die Verschie-bungen der Eckknoten aller Elemente

Modellierung des Ve rformungs- und Bruchverhaltens von Titan-Aluminiden (Ti A l )



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als Unbekannte. Seine numerische Lö-sung liefert den Verformungszustandund über das gewählte Materialmodelldie Beanspruchung, also die Spannun-gen für jedes Element im Bauteil.

Die hier betrachteten Titanaluminidebesitzen ein lamellares Gefüge. D. h.,dass ihre Mikrostruktur aus Kolonienvon Lamellen aufgebaut ist, die einigeMikrometer dick sind. Das Verformungs-und Bruchverhalten des Werkstoffswird durch diese Mikrostruktur be-stimmt. Die Modellierung des Werk-stoffverhaltens kann deshalb nicht ma-kroskopisch und phänomenologisch er-folgen, sondern macht eine mikrosko-pische Betrachtungsweise erforderlich,bei der verschiedene Längenskalenvom Kristallgitter bis zum makroskopi-schen Bauteil zu überbrücken sind.Zunächst werden die Gleitmechanis-men auf Kristallgitterebenen in deneinzelnen Lamellen mit Hilfe der Theo-rie der Kristallplastizität beschrieben.Die Verformung einer einzelnen α-oder γ-Phase wird aus der Überlage-rung von Gleitprozessen auf verschie-denen Gitterebenen bestimmt. Eine la-mellare Kolonie wird durch einen Wür-fel mit periodischen Randbedingungenrepräsentiert, der mehrere Lamellenverschiedener Phasen enthält. Aus die-sen Volumenelementen, auch Einheits-zellen genannt, lassen sich größereEinheiten aufbauen. So besteht ein Po-lykristall aus mehreren lamellaren Kolo-nien und wird durch einen Kubus mitvielen Würfelzellen unterschiedlicherLamellenorientierungen abgebildet. Aufdiese Weise werden mehrere Längen-skalen integriert.

Zusätzlich zu den Verformungsmecha-nismen sind die Mechanismen lokalerSchädigungsentwicklung im Werkstoffzu beschreiben, die durch inter- undtranslamellaren Bruch entsteht. SolcheTrennvorgänge werden mit Hilfe einesKohäsivmodells beschrieben. Kohäsiv-elemente bilden Grenzflächen zwi-schen Volumenbereichen ab, für dieein Separationsgesetz, also ein Zusam-menhang zwischen den Bindungskräf-ten und der Klaffung gilt. Lokale

Schwachstellen in der Mikrostrukturund die Intensität der lokalen Bean-spruchung bestimmen so die Orte derEntstehung von Mikrorissen, die imVerlaufe weiterer Belastung zu einemMakroriss zusammen wachsen undschließlich zum Versagen des Bauteilsführen können.

Um das entwickelte Modell für Bauteil-simulationen einsetzen zu können,müssen die darin enthaltenen Modell-oder Werkstoffparameter aus Experi-menten an einfachen Proben be-stimmt werden (Werkstoffcharakterisie-rung). Im Gegensatz zu den klassi-schen Werkstoffparametern der Elasti-zität und Plastizität sind die Parameterkomplexer Modelle wie des hier be-schriebenen nicht direkt in Experimen-ten messbar. Vielmehr ist eine indirekteIdentifizierung über begleitend zu denVersuchen durchgeführte Simulationendes mechanischen Verhaltens der je-weils im Experiment verwendeten Pro-ben erforderlich. Durch Vergleich derSimulations- mit den gemessenen Ver-suchsdaten und Minimierung der Ab-weichungen können die Parameter aufindirektem Wege bestimmt werden. Si-mulationen für verschiedene Proben-geometrien und Belastungsarten mitzugehörigen Versuchen dienen der Va-lidierung der Modelle, also der Über-prüfung ihrer Eignung, reales Werkstoff-verhalten unter verschiedenartigen Be-anspruchungen realistisch vorhersagenzu können.

Mit Hilfe des so validierten Modellskann dann das mechanische Verhalteneines Bauteils rechnerisch bis hin zurSchädigungsentwicklung und zumBruch vorhergesagt werden. Einzelnebegleitende Bauteilversuche dienenseiner weitergehenden Validierung, be-vor es endgültig für Zuverlässigkeits-und Lebensdaueranalysen eingesetztwerden kann. Die Validierung des hierbeschriebenen Stoffgesetzes für Titana-luminide steht derzeit noch am Anfang.

Die Formulierung von Stoffgesetzenauf der Grundlage mikrostrukturellerVorgänge ist ein relativ neues For-

schungsgebiet, und die Simulationenmit derartigen Gesetzen stellen hoheAnforderungen an die Rechenleistung.Sie erlauben jedoch zuverlässige Vor-hersagen von ertragbaren Beanspru-chungen auch unter Einbeziehung vonDegradationsprozessen im Werkstoffunter Betriebsbedingungen, die sichaus Experimenten allein nicht ableitenlassen. Variationen von Materialpara-metern, Geometriedaten und einwir-kenden Lasten sind am Rechenmodelleinfach durchführbar und ermöglichendie Optimierung von Bauteilen. Aufdiese Weise lassen sich Entwicklungs-zeiten abkürzen, Kosten einsparen unddie Sicherheit erhöhen.

Modellierung und Experiment sind aufeinanderangewiesen; Mikromechanische Modellierungermöglicht die Bestimmung der Modellparameter an kleinen Proben.

Modelling and experiments need each other; micro-mechanical modelling enables the determination ofmodel parameters using small test specimens.



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Titanium aluminides represent a newclass of high temperature light-weightmaterials. Alloy processing methodsare available to produce high dutycomponents such as turbine blades foraero engines and current efforts are fo-cused on further progress into the mar-ket of industrial applications. Advanceddesign and assessment concepts willbe necessary for titanium aluminidesas their specific field of application ishighly sensitive. The assessment requi-res more fundamental support frommodeling and simulation. The respec-tive models are under development.

An advanced modelling technique hasbeen applied which considers micro-mechanical aspects of lamellar com-pounds, and a corresponding constitu-tive model for quasi-static loading in-cluding damage evolution and materialfailure has been developed. The mo-

delling of deformation is based oncrystal plasticity. Lamellar compoundsare treated as periodic unit cells descri-bing the mechanical behaviour on thenext length scale, and finally an arran-gement of unit cells forms the poly-crystal. A cohesive model is used todescribe local separation processes.The constitutive models are implemen-ted as user supplied routines withinthe framework of the finite elementmethod. The parameters for the modelcan be determined from compression,tensile or bending experiments onsmall specimens accompanied by numerical simulations of the tests.

Reliable and effective predictions of fai-lure by numerical simulation can beachieved with the model developed.These will contribute significantly tonew design and assessment concepts.

Modellierung von der Mikrostruktur bis zum Bauteil Schematic steps in modelling from the microstructure to the component

Modellierung von der Mikrostruktur bis zum Bauteil zur Simulation von Verformung und Versagen für monoton zunehmende äußere Beanspruchungen.

Schematic steps in modelling from the microstructure to the component for simulating deformation and failure under monotonically increasing loading.

Computational Modelling of Titanium-Aluminides (Ti A l )

Rissausbreitung in einer lamellaren Kolonie.

Crack propagation in a lamellar colony.

MIKROSTRUKTUR MAKROSTRUKTUR



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Entwicklung von Magnesium-Knetlegi e r u n g e n

Die Forderungen nach Senkungdes Energieverbrauchs zur Scho-nung von Ressourcen und Vermin-derung des Schadstoffausstoßesgewinnen zunehmend an Bedeu-tung. So machte die Automobilin-dustrie die freiwillige Zusage, denTreibstoffverbrauch bis zum Jahr2005 gegenüber 1990 um 25% zusenken. Dieses Ziel kann wesent-lich durch eine Reduktion beweg-ter Masse erreicht werden. MitBlick auf moderne Leichtbaukon-zepte spielt die Magnesiumtech-nologie hierbei eine entscheiden-de Rolle.

Um den Entwicklungstendenzen aufdem Sektor Ultraleichtbau mit Mag-nesium Vorschub zu leisten, wurde amGKSS-Forschungszentrum im Jahre2000 ein neuer Schwerpunkt in derMaterialforschung ausgewiesen, dersich mit der Entwicklung von Magne-siumwerkstoffen für strukturelle undfunktionelle Anwendungen in der Ver-kehrstechnik beschäftigt: Das Zentrumfür Magnesiumtechnologie unter derLeitung von Prof. Dr.-Ing. K. U. Kainer.Parallel dazu wurden sowohl nationaleals auch internationale Kontakte aufden Gebieten Grundlagenforschungund industrieller Prozessoptimierungaufgebaut. Obwohl Magnesiumlegie-rungen die Forderungen nach gerin-gem spezifischen Gewicht, guter Be-und Verarbeitung und großem Re-cyclingpotential vereinigen, steht dieAnwendung derzeit noch hinter denkonkurrierenden Aluminiumwerkstoffenzurück.

Der Einsatz von Magnesiumlegierun-gen im Automobilbau erlebte bereitsEnde der 30er Jahre des letzten Jahr-hunderts seinen ersten Höhepunkt. Indamaliger serienmäßiger Herstellungwurde beispielsweise ein Omnibus

inklusive Anhänger komplett mit Mag-nesiumstrangpressprofilen und Fein-blechen ausgebaut. Mit zunehmendenAnsprüchen an die verarbeiteten Werk-stoffe, z. B. hohe Festigkeit und Dukti-lität, verschwanden die Magnesium-legierungen allerdings weitgehend ausdem Automobilbau. Erst jetzt wird mansich des ungeheuren Potenzials derleichten Magnesiumlegierungen wiederbewusst und forciert die gezielte For-schungs- und Entwicklungsarbeit zumEinsatz magnesiumbasierter Bauteile.

Die derzeit treibende Kraft in der Ma-gnesium-Technologie stellt wiederumdie Automobilindustrie dar, die sichden Forderungen nach höherer Energie-effizienz und geringeren Emissionenbei ausgeglichener Wirtschaftlichkeitgegenübergestellt sieht. Obwohl dieHerstellung komplexer Bauteile mitMagnesiumgusslegierungen bereits in-dustriell etabliert ist, erfüllen gießtech-nisch hergestellte, dünnwandige Bau-teile jedoch wegen mikrostrukturellerInhomogenitäten nicht die gefordertenmechanischen Anforderungen. Daherwerden in der Automobilindustrie um-formtechnisch hergestellte Magnesium-legierungen (Knetlegierungen) ge-wünscht, die aufgrund Massivumfor-mung wie Walzen, Strangpressen oderSchmieden ein feinkristallines, homo-genes Gefüge aufweisen, das im Ge-gensatz zu dem von Gusslegierungengroßflächige und gleichzeitig dünnwan-dige Bauteile ohne Schwankungen derWerkstoffeigenschaften ermöglicht.Dabei ist nicht nur angestrebt, dasGewicht der Karosserie zu reduzieren,sondern man versucht auch, durch denEinsatz von Magnesiumknetwerkstoffenfür tragende Strukturbauteile den Kom-fort und die Sicherheit zu erhöhen. DieFestigkeit und Duktilität von Magnesi-umknetlegierungen sind denen vonGusslegierungen deutlich überlegen.Dies zeigt die nebenstehende Abbil-dung, in der die Dehngrenze als Funkti-on der Bruchdehnung aufgetragen ist.

Guss-/Knetlegierungen Cast and wrought alloys

Fallwerk zur Messung der Energieabsorption.

Impact testing machine for measuring energy absorption.

Mechanische Eigenschaften von Guss- undKnetlegierungen.

Mechanical properties of cast and wrought alloys.



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In einer Machbarkeitsstudie hat VW imJahre 2002 in Mischbauweise miteinem bedeutenden Anteil an umge-formten Magnesiumlegierungen dasweltweit erste sichere, zulassungs-sowie gebrauchsfähige Fahrzeug mitnur 1 L Treibstoffverbrauch pro 100 kmentwickelt und damit das Potenzial vonMagnesiumknetlegierungen aufgezeigt.Geeignetes Zulegieren oder ausge-wählte thermomechanische Behand-lungen von Magnesium versprecheneine signifikante Verbesserung der Um-formeigenschaften und untermauerndas wirtschaftliche Interesse an höher-duktilen, umgeformten Magnesium-produkten.

Die Knetwerkstoffe sind im Gegensatzzu den Magnesiumgusslegierungenjedoch momentan noch eine kleineGruppe innerhalb der technisch ange-wendeten Magnesiumlegierungen. DerVerbrauch von Magnesium als einsatz-fähige Knetlegierung ist daher minimal.Die Legierung AZ31 (3 Gew.% Al, 1Gew.% Zn, Rest Mg) stellt die am häu-figsten eingesetzte und derzeit ammeisten untersuchte Magnesiumknet-legierung dar. Die Ergebnisse auseigenen Strukturuntersuchungen undmechanischen Prüfmethoden des Zen-trums für Magnesiumtechnologie tra-gen maßgeblich zu der Vervollständi-gung des Eigenschaftsprofils dieses alsBasislegierung fungierenden Knetwerk-stoffes bei und fließen in die Herstel-lung neuer Magnesiumknetlegierungenund deren thermomechanischerBehandlung ein.

Während bei den produktionstechnischetablierten Magnesiumgusslegierungendie Warmfestigkeit von werkstoffkund-lichem Interesse ist, wird bei den Knet-legierungen das Problem der einge-schränkten plastischen Verformbarkeitfür die Bauteilfertigung untersucht. DieKaltumformung von Magnesiumlegie-rungen ist aufgrund der speziellenStruktur des Magnesiumkristallgitters,nämlich hexagonal dichtest gepackt,nur beschränkt möglich. Dennoch lässtsich Magnesium warm nach den gän-gigen Umformverfahren oberhalb etwa

225°C verarbeiten, also auch durchStrangpressen, Walzen und Schmieden.Ab dieser Prozesstemperatur werdenzusätzliche Verformungsmechanismen(Gleitebenen) aktiviert. Im Bereich desFahrzeugbaus ergibt sich ein großesAnwendungspotenzial für Bauteile ausumgeformten Magnesiumblechen. DerGroßteil der Automobilkarosserien be-steht aus Blechformteilen, die ca. einViertel des Fahrzeuggesamtgewichtesausmachen. Eine Substitution her-kömmlicher Stahl- und Aluminium-werkstoffe durch Bauteile aus Magnesi-umlegierungen könnte hier zu einer er-heblichen Gewichtsersparnis beitragen.Die Entwicklung neuer Magnesium-knetlegierungen mit verbessertemEigenschaftsprofil verlangt das Ver-ständnis der Umformprozesse währendder Formänderung.

Die Ausbildung der sich durch den Ver-formungsprozess einstellenden bevor-zugten Orientierung einzelner Kristallite(Textur) führt zu richtungsabhängigenmechanischen Eigenschaften. Struktur-untersuchungen mittels Röntgen-, Neu-tronen- oder Synchrotronstrahlung wer-den durchgeführt, um einerseits dieTexturentwicklung während der Umfor-mung zu messen und andererseits

eine Korrelation zwischen der vorlie-genden Textur und den mechanischenEigenschaften des Materials herzustel-len. Die wissenschaftliche Interpretationdieser Daten trägt zur Optimierung undEntwicklung zukünftiger Umformpro-zesse von Magnesiumlegierungen bei.Die erhaltenen Daten sind als Richt-werte für Simulationsrechnungen dermikrostrukturellen Abläufe währenddes Umformprozesses von großerBedeutung. Diese Untersuchungenwerden von Messungen der akus-tischen Emission und der innerenReibung (mechanische Spektroskopie)begleitet, um mikrostrukturelle Verän-derungen zerstörungsfrei zu verifizie-ren. Die aufgeführten Messmethodenlassen Rückschlüsse auf die Defekt-struktur des Materials zu und dienenals Instrument, den Einfluss des Her-stellungsprozesses auf die Mikrostruk-tur zu beurteilen. Weitere Experimentezielen darauf ab, die Aktivierung derVerformungsprozesse und die Neuord-nung der Mikrostruktur durch eine sta-tische und dynamische Rekristallisationzu untersuchen.

Ein zusätzlicher bedeutender Aspekt fürden Einsatz von Knetlegierungen ist ihrKorrosionsverhalten. Da Magnesium

Machbarkeitsstudie von Volkswagen: 1 ltr. Auto, © VW AG.Feasibility study by Volkswagen: 1-litre-car, © VW AG.



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ein äußerst unedler Konstruktionswerk-stoff ist, müssen Maßnahmen gegenKontaktkorrosion ergriffen werden. InMischbauweise wird in der Regel eineZwischenschicht (z. B. Lack) zwischenMagnesium und dem edleren Metallverwendet.

Ziel nationaler und internationaler For-schungstätigkeiten ist immer, durch dieBeherrschung der ungünstigen Eigen-schaften die Vorteile des Magnesiumsmaximal nutzbar zu machen. Im Fokussteht hier die Herstellung von Magnesi-umbauteilen durch Materialumformung.

Das Zentrum für Magnesiumtechnolo-gie ist an zwei derartigen Projekten be-teiligt. Dies sind das BMBF-geförderteProjekt ULM (Ultraleicht-Bauteile ausMagnesiumfeinblech) und das von derEuropäischen Gemeinschaft unterstütz-te Forschungs- und EntwicklungsprojektMAGNEXTRUSCO (Hydrostatic Extru-sion Process for Efficient Production ofMagnesium Structural Components). Im Rahmen des Projektes ULM – eineKooperation mit acht Projektpartnern –soll die geschlossene Prozesskette zurgroßtechnischen Herstellung vonBlechbauteilen aus Magnesiumknet-legierungen entwickelt und erprobtwerden. Voraussetzung hierfür ist dieEntwicklung und Herstellung von dünn-wandigen Blechen aus Magnesium-legierungen, deren mechanische undchemische Eigenschaften, Ober-flächenqualität sowie Tiefziehfähigkeitbei deutlich reduziertem Gewicht de-nen der bisher verwendeten Stahl-oder Aluminiumlegierungen entspre-chen. Als Demonstrationsobjekt für einGroßserienbauteil soll aus den herge-stellten Blechen die Haube für ein VWFahrzeug gefertigt werden. An diesemBauteil sind sämtliche relevanten Pro-zesse beteiligt und studierbar, wobeiein wesentlicher Fokus in der Serien-tauglichkeit liegt. Dies bedeutet, dieentwickelten Prozesse müssen zu be-herrschen (maschinenfähig), sicherund reproduzierbar sein.

Das Zentrum für Magnesiumtechno-logie übernimmt in diesem Projekt die

Legierungsentwicklung und Charakte-risierung der Werkstoffe, d. h. die Fest-legung, Messung und Bewertung vonMaterialkennwerten während der ein-zelnen Prozessschritte.

Im Rahmen des Forschungs- und Ent-wicklungsprojektes MAGNEXTRUSCO –eine Kooperation von neun Projekt-partnern – soll insbesondere die Ent-wicklung neuer optimierter Legierun-gen und die explizite Auslegung deshydrostatischen Strangpressprozessesvorangetrieben werden. Wesentlich isthierbei die Umsetzung von deutlichhöheren Umformgeschwindigkeiten alsbei etablierten Strangpressverfahren,um die Wirtschaftlichkeit des Prozesseszu optimieren.

Als Demonstrationsobjekte wurden hierProfile ausgesucht, die nicht nur im Ka-

rosseriebau für Fahrzeuge Anwendungfinden, sondern auch im Straßenbahn-und im Flugzeugbau. Das Zentrum fürMagnesiumtechnologie nimmt auchhier eine entscheidende Rolle im Be-reich der Werkstoffentwicklung undWerkstoffcharakterisierung ein.

Light-weight Magnesium alloys have ahigh potential for applications in thetransportation industry due to their excellent specific material properties.High pressure die casting is widelyused for manufacturing magnesium-based materials. Compared to castmagnesium thin-walled parts, wroughtmagnesium alloys show a more ho-mogeneous microstructure. Thus semi-finished products such as sheets or ex-truded profiles become very attractivefor use in automotive applications forreasons of weight saving and reduc-tions in fuel consumption and pol-lutant emission.

The main problem with wrought mag-nesium alloys is the restricted plasticitydue to their hexagonal lattice structure.Hot deformation at temperatures above225°C is possible allowing extrusion,rolling and forging. The developmentof new wrought magnesium alloyswith better mechanical properties thanthe reference alloy AZ31, requires abetter understanding of deformation

mechanisms and the development ofthe microstructure due to recrystallisa-tion processes, in order to o p t i m i s ethermomechanical treatments.

This knowledge is also necessary foran improvement of magnesium alloysused as extruded profiles. Besides theinfluence of process parameters, thefeedstock quality is important for thedeformation. This can be influenced byalloy development in terms of a stabili-sation of the microstructure and grainrefinement during casting.

Galvanic corrosion is always a concernwhen dealing with magnesium. Theproblem of galvanic corrosion can besolved using proper coatings betweenthe magnesium and the metallic joi-ning partner.

The centre of magnesium technologyis involved in these research activitieswith the aim of developing and optimi-sing the processing and alloy design ofwrought m a gnesium alloys.

Wrought Magnesium Alloys

Motorhaube aus der Knetlegierung AZ31, © VW AG.

Bonnet made of the wrought magnesium alloy AZ31,


Erde und Umwelt • Earth and Environment

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”The trend in the global tempera-ture observed in the last centuryis unprecedented in the last mil-lennium". Der 3. Bericht des Inter-govermental Panel on ClimateChange (IPCC) unterstrich durchdiese Kernaussage die außerge-wöhnliche Klimaentwicklung derErde in den letzten Dekaden unddeutete damit auf die Auswirkungmenschlicher Aktivitäten auf dasKlima der Erde hin. Erste Simula-tionen, die bei GKSS durchgeführtwurden, stellen diese Aussage inFrage.

Der IPCC fasste die Ergebnisse einerFülle von Rekonstruktionen unseres Kli-mas zusammen, die auf der Interpreta-tion so genannter stellvertretender Kli-madaten beruhen. Diese Daten stam-men u. a. aus der Analyse von Baum-ringen, Eisbohrkernen, historischen Do-kumenten und Korallenkernen. Aus räumlich umfangreichen Datensätzendieser Art ist es in den letzten Jahrenerstmals gelungen, die jährliche Ent-wicklung der globalen, hemisphäri-schen, europäischen und nordamerika-nischen Temperatur zu rekonstruieren.Nicht alle dieser klimatischen Rekon-struktionen stimmen in allen Einzelhei-ten überein, aber in allen ist eine deut-liche Erwärmung der bodennahen Luft-temperatur in fast allen Regionen derWelt in den letzten 100-150 Jahrenerkennbar. Als weitere wichtige klimati-sche Perioden des letzten Millenniumssind die sogenannte Kleine Eiszeit (ca.1500-1800 n. Chr.) und das mittelal-terliche Optimum (ca. 1100 n. Chr.) zuverzeichnen.

Wie groß waren die Amplituden dieser"natürlichen" Klimaschwankungen inden letzten Jahrhunderten? Das ist dieentscheidende Frage, wenn man dieTemperaturänderungen der letzten

Jahrhunderte als außergewöhnlichoder innerhalb der normalen Spann-breite einordnen will. Und gerade indieser Frage sind sich die bisherigenklimatischen Rekonstruktionen nichtganz einig.

Die gegenwärtig bekannteste Klima-rekonstruktion (Mann et al., 1999), ba-sierend auf Proxydaten unterschiedli-cher Natur, zeigt in der kleinen Eiszeiteine etwa 0.3 Grad kältere Temperaturgegenüber heutigen Verhältnissen an. Damit wäre die seit dem Beginn derIndustrialisierung beobachtete Erwär-mung von ca. 0.6 Grad deutlich außer-halb der Normalität der letzten Jahr-hunderte. Eine andere Rekonstruktion(Esper et al, 2002), die sich auf extra-tropische dendrochronologische Datenstützt, zeigt dagegen Temperaturen ca.0.7 Grad kälter als heute. Laut dieserRekonstruktion hätte eine Erwärmungvon etwa einem halbem Grad in 100Jahren in der rezenten Vergangenheitbereits stattgefunden. Die globale Er-wärmung im 20. Jahrhundert wäre da-mit nicht als einzigartiges Ereignis desMillenniums anzusehen.

Globale Klimamodelle stellen heutzuta-ge ein wesentliches Werkzeug für dieAnalyse und Vorhersage des Klimasdar. Sie können aber nicht nur für dieSimulation des zukünftigen Klimas,sondern auch für die Rekonstruktionvergangener Klimaentwicklungen ein-gesetzt werden.

Des weiteren können globale Klima-modelle einen Beitrag dazu leisten, Un-stimmigkeiten der empirischen Rekon-struktionen zu erklären und Mechanis-men der Klimaänderung zu identifizie-ren, damit wichtige Signale gezielter inden stellvertretenden Daten gesuchtwerden können.

Im Rahmen des HGF-Strategiefond-Projekts KIHZ (Klima Variationen in his-torischen Zeiten) und anderen interdis-ziplinären Projekten sowie in Zusam-menarbeit mit dem Max-Planck-Institutfür Meteorologie und dem DeutschenKlimarechenzentrum sind am GKSS-Institut für Küstenforschung erstmaligKlimasimulationen mit 3-dimensiona-len Klimamodellen über die letzten1000 Jahre durchgeführt worden.

Klimarekonstruktion der letzten 500 Jahre

Die Wissenschaftler der Abteilung ”Paläoklima” bei der Analyse von Klimasimulationen.

Members of the Department ”Paläoklima” analysing climate simulations.


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Küstenforschung • Coastal Research

Das Klimamodell ECHO-G wurde vonder solaren Strahlung, dem Vulkanis-mus und der Konzentration von Treib-hausgasen der letzten 500 Jahre ange-trieben. Die von diesem Modell simu-lierte Klimaentwicklung zeigt breitereTemperaturschwankungen als bisherzumeist angenommen.

Die globale mittlere Temperatur in denJahrhunderten vor der Industrialisierungist etwa 1 Grad kälter als heute. Darü-ber hinaus sind Perioden zu erkennen,in denen deutliche Temperaturtrendszu verzeichnen sind. So ist z. B. in denDekaden nach dem so genannten SpätMaunder Minimum (LMM, ca. 1690 n. Chr.) die globale Erwärmung zu derim 20. Jahrhundert simulierten und be-obachteten Tendenz vergleichbar. Die-ses Ergebnis stimmt sehr gut mit Simu-lationen mit dem Klimamodell desHadley Center in U.K. überein, die An-fang 2003 durchgeführt wurden.

Obwohl die Temperaturschwankungenin der Vergangenheit und die globaleErwärmung im 20. Jahrhundert sehrwahrscheinlich unterschiedliche Ursa-chen haben (Variabilität der solarenEinstrahlung und Vulkanismus einer-seits, und atmosphärische Treibhausga-se andererseits), wäre eine wichtigeSchlussfolgerung unserer Studien, dassdie Erde bereits in der historischen Ver-gangenheit einer raschen Tempera-turänderung aus natürlichen Gründenausgesetzt wurde.

Simulationen des historischen Klimasermöglichen eine Validierung der Mo-delle, die üblicherweise für Klimavor-hersagen eingesetzt werden. Es ist bis-her in der öffentlichen Diskussion zurglobalen Erwärmung immer im Hinter-grund geblieben, dass es außerordent-lich schwierig ist, Klimamodelle zu tes-ten. Man hat lediglich ihre Fähigkeit be-urteilen können, das heutige Klimawiederzugeben, aber nicht ihre Fähig-keit, Klimaänderungen zu simulieren.

Der Vergleich zwischen Simulationenund Rekonstruktionen des historischenKlimas bietet gerade diese Möglichkeit

an. Ein Beispiel: Im Spät Maunder Mini-mum, Höhepunkt der Kleinen Eiszeit,stimmt das regionale Muster der Tem-peraturabweichungen mit hochaufgelös-t e n empirischen Rekonstruktionen fürEuropa gut überein.

Die Klimasimulationen liefern außer-dem Informationen, die nicht ohneweiteres in den stellvertretenden Kli-madatensätzen zu erkennen sind. ImSpät Maunder Minimum ist der Tempe-raturrückgang durch die schwächeresolare Einstrahlung und den vermehr-ten Vulkanismus fast global verbreitet,im nordatlantischen Bereich jedochbesonders ausgeprägt.

Die Ursache dafür liegt in der abge-schwächten Intensität des Golfstroms,welche wiederum auf schwächereWestwinde über dem Nordatlantik indieser Periode zurückzuführen ist. Dergeschwächte Golfstrom konnte Wärmezu den nördlichen Breiten nicht so ef-fektiv wie heute transportieren, und da-

durch entstanden kältere Wassertem-peraturen sowie eine ausgedehnte Eis-bedeckung im Nordatlantik.

Das globale und das europäische Kli-ma scheinen in der Vergangenheit va-riabler und gegenüber dem natürlichenexternen Antrieb empfindlicher gewe-sen zu sein als bisher angenommen.Die vollständige Analyse solcher um-fangreichen Klimasimulationen ist einemühsame, aber dennoch reizvolle Auf-gabe, die sicherlich noch einige Überra-schungen in sich birgt.

Gerade das Zusammenspiel zwischenModellierung und empirischen Rekon-struktionen kann einen wesentlichenBeitrag dazu leisten, die wichtigstenProzesse der natürlichen Klimaände-rungen zu enthüllen und dadurch bes-sere und belastbarere Aussagen überzukünftige Klimaentwicklungen derErde unter dem Einfluss menschlicherAktivitäten zu ermöglichen.

Simulation der KlimaschwankungSimulation of climate-variation

Zeitserien der effektiven solaren Einstrahlung, Konzentration von atmosphärischen Treibhausgasen und simu-lierten global gemittelten Lufttemperatur in der Klimasimulation mit dem Modell ECHO-G.

Time series of the effective solar constant, concentrations of atmospheric greenhouse gases and simulatedglobally averaged temperature in the climate simulation with the model ECHO-G.



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Reconstruction of the Climateduring the Last 500 Ye a r sAccording to the analysis of climatic proxy data, the globalclimate of the last millennium underwent a warm phasearound 1100 AD, a cold phase between approx. 1500 ADand 1850 AD – the so called Little Ice Age – and has under-gone an unprecedented global warming since the beginningof industrialisation up to the end of the 20th century. Recentclimate simulations of the last 500 years with state-of-the-art climate models, carried out at the Institute of Coastal Re-search in collaboration with the Max-Planck-Institute of Me-teorology, deliver a somewhat different view than that provi-ded by the empirical climate reconstructions.

According to these simulations the Little Ice Age was colderthan presently thought and the climate variations caused bynatural influences, such as solar variability and volcanism,were also larger. This means that warming trends such as theone observed in the 20th century have already happenednaturally in the recent past.

These simulations of the historical climate also offer the op-portunity to test the performance of climate models to simu-late regional climate changes, which is still a matter of consi-derable debate. The comparison of climate simulations withempirical reconstructions of high spatial resolution in Europeat the height of the Little Ice Age, the so called late MaunderMinimum around 1690 A.D., indicates that the model is ableto reproduce the reconstructed cooling pattern – stronger inCentral and Eastern Europe and weaker in Western Europe –quite reasonably.

Globale Oberflächen-Temperaturen um 1700Global surface-temperature around 1700

Globale Verteilung der Temperaturänderung im Spät Maunder Minimum,simuliert vom Klimamodell ECHO-G.

Global temperature changes in the Late Maunder Minimum simulated by the climate Model ECHO-G.

Rekonstruierte Lufttemperatur Reconstructed air temperature

Die aus stellvertretenden Klimadaten rekonstruierte (links) und vom Klimamodellsimulierte (rechts) Lufttemperatur im Spät Maunder Minimum (1680-1719 n.Chr.). Dargestellt werden die Abweichungen vom langfristigen Mittelwert.

Air temperature in the Late Maunder Minimum, reconstructed from proxy data(left) and simulated by the climate model (right). The figure illustrates thedeviations from the long-term mean.


Die Hochwasserkatastrophen ander Elbe im August 2002 und ander Oder im Juli 1997 haben dieGrenzen hinsichtlich der Vorhersa-gen sowie des Katastrophen- undRisikomanagements aufgezeigt.Hochwasser lassen sich nicht ver-hindern, aber möglicherweiserechtzeitiger und genauer vorher-sagen. Im Projekt ODRAFLOODwurde, koordiniert von der GKSS,mit polnischen und deutschenPartnern ein Modellkonzept fürdie Oder erstellt, das Möglichkei-ten für eine verbesserte operatio-nelle Vorhersage aufzeigt undSzenarienrechnungen für dieSteuerung von Stauseen und dieAuswirkungen von Deichbrüchenerlaubt.

Das Sommerhochwasser an der Oder1997 muss eindeutig als das größteOderhochwasser in diesem Jahrhun-dert angesehen werden. In der Tsche-chischen Republik, der Republik Polen,Deutschland, Österreich und der Slo-wakei hat es den weltweit größtenökonomischen Schaden unter allenNaturkatastrophen des Jahres 1997verursacht (Münchener Rückversiche-rung). Der Einsatz von Menschen,Technik und Material zur Hochwasser-bekämpfung war enorm. Allein in Po-len wurden im Einzugsgebiet der Oder106.000 Menschen evakuiert, und465.000 ha landwirtschaftlicher Nutz-fläche überflutet.

In Tschechien und Polen kostete dieKatastrophe über 100 Menschen dasLeben. In Deutschland entstandenschwere Schäden durch Deichbrüche,in deren Folge große Flächen überflu-tet wurden. Im Bereich der „Grenzo-der“, d.h. entlang der deutsch-polni-schen Grenze, wurde das Gefahrenpo-

tenzial nur durch zahlreiche Deich-brüche im polnischen Gebiet abge-schwächt.

Die kritische Situation der betroffenenStädte musste von den kommunalenKatastrophenschutzkräften richtig ein-geschätzt werden, um angemesseneMaßnahmen zu ergreifen. Die Beurtei-lung einer Hochwassersituation orien-tiert sich an Vorhersagen, deren Ge-nauigkeit, Zuverlässigkeit und Progno-sezeitraum entscheidend ist. Auch diemöglichen Folgen eines vorhergesag-ten Hochwasserstands müssen be-kannt sein, da das Wissen um die kon-kreten Gefahren die Grundlage für Ent-scheidungen bildet.

Sowohl bei der Oderflut 1997 als auchbeim Elbe-Hochwasser im August2002 führten extrem starke Nieder-schlagsereignisse im gebirgigen Ober-lauf der Flüsse zu verheerenden Hoch-wassern entlang des gesamten Fluss-laufes. Eine zuverlässige und rechtzei-

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Hochwasservorhersage und Flussmanagement für die Oder

Analyse von Durchflussmessungen an der Elbe bei Geesthacht.

Analysis of flow rate measurements of the Elbe river near Geesthacht.

Durch das Hochwasser an der Oder 1997 zerstörter Pegel.

Gauge ruined during the Odra flooding 1997.



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tige Niederschlagsvorhersage kann dieVorwarnzeit für die besonders stark be-troffenen Gebiete im Oberlauf derFlüsse vergrößern und so möglicher-weise schadensminimierend wirken.Hier ist die Wettervorhersage gefordert.Aber auch die Wasserstandsvorhersa-gen im Flusssystem erwiesen sich alsunzureichend. Die hierfür eingesetztenoperationellen Modelle verwenden alsEingangsdaten Messungen des Wasser-standes an Pegelstationen, derenMesseinrichtung bei Hochwasser ge-legentlich zerstört wurde. Außerdemwurden diese Modelle nicht für solchextreme Situationen getestet und ange-passt. Deichbrüche oder Überflutungenwerden in operationellen Modellennicht berücksichtigt, sie können jedocherheblichen Einfluss auf den Verlaufder Flutwelle haben.

Mit Unterstützung des Bundesministeri-ums für Bildung und Forschung hatGKSS gemeinsam mit dem Institut fürMeteorologie und Wasserwirtschaft ausBreslau (IMGW), dem Maritime Re-search Institute aus Stettin (MRI) unddem Deutschen Zentrum für Luft- undRaumfahrt (DLR) nach der Oderflut1997 das Projekt ODRAFLOOD begon-nen, dessen Ziel die Einrichtung einesgekoppelten Modellsystems für Flutvor-hersagen und Risikoabschätzungen ist.Das Modell beschreibt die den Wasser-stand in Flusssystemen beeinflussen-den Prozesse von der Abflussbildungdurch Niederschlag und Schneeschmelzeüber den Wassertransport auf und imErdboden in den Fluss sowie den Wel-lenverlauf im Flusssystem selbst unddessen Beeinflussung durch Stauseen.Am Ende der Kette stehen Überflutun-gen von Stadt- und Niederungsgebieten.

Niederschlag und Zufluss zum Stausee Otmuchów Precipitation and inflow to the Otmuchów reservoir

Das Oder-EinzugsgebietThe Odra watershed

(oben) Das Oder-Einzugsgebiet, räumliche Lage derTeilmodelle und deren Prozesse.(unten) Simulierter und gemessener Zufluss zumStausee Otmuchów während der Flut von Juli 1997und der Niederschlag in diesem Teileinzugsgebiet.

(above) The Odra watershed, spatial scale of modelcomponents and processes.(below) Simulated and observed inflow to theOtmuchów reservoir during the 1997 flood andprecipitation in the corresponding subcatchment.


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An diesen Prozessen orientieren sichdie Anwendungsbereiche des gekoppel-ten Modellsystems, an dessen Anfangdas Niederschlag-Abflussmodell SEROSden gesamten Einzugsbereich der Oderumfasst und die Eingabedaten für hy-drodynamische Modelle liefert, welchedie Wellentransformation im Flusssys-tem beschreiben. Diese wiederum lie-fern die Eingangsdaten für kleinräumi-ge Modelle zur Simulation von Deich-bruchszenarien und Überflutungen. Als ein Ergebnis des Niederschlags-Ab-fluss-Modells sei hier der Zufluss zumStausee Otmuchów im Oberlauf derGlatzer Neiße (Nysa Klodska) gezeigt,dessen Überlauf einen bedeutendenAnteil an der Oderflut 1997 hatte. DasEinzugsgebiet liegt südlich von Breslauin den Sudeten.

Zwei extreme Niederschlagsereignissezwischen dem 4. und 8. Juli sowie am19. und 20. Juli 1997 verursachen indiesem Teileinzugsgebiet am 9. Julieine Abflussspitze von 800 m3/s undein zweites Maximum am 21. Juli bei520 m3/s. SEROS simuliert die Spitzenzeitgleich, mit einer leichten Überschät-zung um 100 m3/s bzw. einer Unter-schätzung um 180 m3/s.

Am unteren Ende der Modellkette be-rechnet das StadtüberflutungsmodellARCHE die potentielle Überflutung vonStadtgebieten für einen vorgegebenenWasserstand im Flusslauf. Als Beispielist hier die Kartierung der Hochwasser-randlage für einen Teilbereich der StadtFrankfurt/Oder gezeigt. Neben der Nut-zung in einem Hochwasserinformati-onssystem bilden die Ergebnisse auchdie Basis für einen Risikoatlas, in demin Anhängigkeit des Wasserstandes dieÜberflutung abgelesen werden kann.Ein öffentlich zugängliches Internet-Terminal im Rathaus der Stadt Frank-furt/Oder zeigt neben aktuellen Pegel-daten und Pegelvorhersagen auf derBasis derartiger Modellrechnungenhochwassergefährdete Bereiche.

In July 1997 two episodes of heavyrainfall in the upper catchment of theOdra river caused severe flooding inthe Czech Republic, Poland and someareas in Germany. Hundreds of citiesand villages were inundated, morethan 100 casualties occurred and vastareas of land were flooded for weeks.The critical situation had to be assessedby the disaster management authoritiesfor taking adequate and effective mea-sures. In the case of such a criticalflood situation the assessment needs

quantitative predictions of water levelsand discharges which must be accu-rate and reliable, a set of rules for theintelligent control of weirs and poldersand the resulting impact on the riverflow, and, a knowledge base of con-sequences of predicted levels anddischarges on vulnerable urban andrural areas. The ODRAFLOOD projectjointly carried out by Polish andGerman research groups generated acomprehensive model chain for animproved flood forecasting system.

Flood Forecasting and Wa te r s h e dManagement for the Odra

Kartierung der Hochwasserrandlage für einen Ausschnitt von Frankfurt/Oder zur Verifizierung des Modells ARCHE (Foto: DLR).

Mapping of the flooding level for part of Frankfurt/Oder for verifying the ARCHE model (Photo: DLR).


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Gesundheit • Health

Die durchschnittliche Lebens-erwartung der Menschen in denIndustrieländern steigt, was miteiner Zunahme von altersbeding-ten gesundheitlichen Problemenverbunden ist. Hinzu kommen eineVielzahl von Personen, die unfall-oder krankheitsbedingt von demVerlust der Funktion von Extremi-täten, von verschiedenen Gewe-ben bzw. von Organfunktionenbetroffen sind.

Bislang können diese Leiden nichtimmer ausreichend therapiert werden.So kann beispielsweise die Insulin-substitution bei Diabetes den Zucker-haushalt nur ungenau regulieren, dieHämodialyse den Verlust der Nieren-funktion nur teilweise ausgleichen, eineProthese bei weitem die Funktion vonGliedmaßen nicht ersetzen. Daraus re-sultiert eine verringerte Lebensqualitätaber auch Lebenserwartung für die Be-troffenen. Fortschritte auf dem Gebietder Materialforschung, der Medizin-technik, der Stammzellbiologie und derRegenerativen Medizin können beienger Kooperation dieser Disziplinengenutzt werden, um einen wesent-lichen Fortschritt bei der Behandlungvon Organversagen und degenerativenErkrankungen zu erreichen.

Das im Jahr 2002 erfolgreich evaluier-te HGF-Programmthema “RegenerativeMedizin” repräsentiert eine inter- undtransdisziplinäre Aufgabenstellung undhat damit eine zentrale Bedeutung fürdie Zukunftsperspektive im Gesund-heitswesen. Die Forschungsbeiträge indiesem Bereich haben zum Ziel, einensignifikanten Einfluss auf innovativeTherapieformen auszuüben und so dieVerbesserung der Situation des Patien-ten, d. h. eine möglichst vollständigeWiederherstellung von spezifischenKörperfunktionen in kurzen Behand-lungszeiten zu realisieren. Idealerweise

sollten damit Kostensenkungen im Ge-sundheitssystem, wie beispielsweisedie Einsparung von Krankenhaus-kapazitäten, verbunden sein.

Die Regenerative Medizin z. B. in Formeiner aktiven extrakorporalen Organun-terstützung unter Nutzung von Zellensowie der Erzeugung von dreidimen-sional organisierten Gewebestrukturenbefindet sich heute am Anfang ihrerEntwicklung. Organotypische Kultur-systeme wurden und werden weltweitvon primär klinisch orientierten For-schergruppen entwickelt. Trotz Erfolgenbei der Entwicklung von Ersatzgewe-ben wie Haut, Knorpel und Knochenwurde die Gesamtheit der Systeme,insbesondere der materialseitige undverfahrenstechnische Aspekt zurUmsetzung in klinisch relevante An-

wendungen, bisher nur unzureichendberücksichtigt. Als Folge dessen exis-tieren umfangreiche methodische Vor-kenntnisse, die in dieser Form klinischnicht oder nur bedingt nutzbar sind.Durch die ganzheitliche Betrachtungder Regenerativen Medizin vom Bio-material bis hin zur klinischen Bewer-tung ist ein wesentlicher Fortschritt imtherapeutischen Verständnis, als auchin der Weiterentwicklung des For-schungsgebietes in den nächstenJahren zu erwarten.

Für leistungsfähige Organ unterstützen-de Systeme sowie die Geweberekons-truktion (Tissue Engineering) müssenMaterialien, die mit Blut und/oder Ge-webe in Kontakt kommen, so gestaltetwerden, dass sie entsprechend der je-weiligen Anwendung maßgeschneider-

Regenerative Medizin und Organ unterstützende Syste m e

Extrem dünne Probenschnitte für histologische Untersuchungen ermöglicht ein Mikrotom.

A microtom allows extremely thin sections of samples to be prepared for histological investigations.


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Regenerative Medizin • Regenerative Medicine

te Eigenschaften aufweisen. Beispiels-weise sind mechanische Eigenschaftenund Abbauverhalten des Materials an-zupassen. Die meisten der in Anwen-dung befindlichen biomedizinischenHilfsmittel und Geräte werden bislangaus industriellen Standardpolymerenmit einem relativ guten physikalischenEigenschaftsbild, aber geringer Biover-träglichkeit, gefertigt. Mangelnde Bio-verträglichkeit kann möglicherweisezum Versagen von Implantaten durchEntzündungsreaktionen oder Gerin-nungsvorgänge führen. Anderseits sindbestimmte Medizintechnikproduktenicht realisierbar, da für bestimmte An-forderungsprofile derzeit keine geeig-neten Materialien zur Verfügung ste-hen. Beispielsweise stellen die Erhal-tung der Vitalität von Zellen und dieVermeidung von unerwünschten Dedif-ferenzierungen große Herausforderun-gen an Materialien dar, die in biohybri-den Organen eingesetzt werden.

Wesentliche Arbeitsaufgabe des Institutsfür Chemie wird neben der Entwick-lung von Medizintechnikprodukten un-ter Verwendung funktionaler, biokom-patibler Kunststoffe und daraus gefer-tigten Formkörpern z. B. für Langzeitim-plantate, minimal-invasive Techniken,oder Organ unterstützende Systemeauch die Entwicklung von Methodenund Techniken zur Anwendung des Tis-sue Engineering in ausgewählten The-rapiekonzepten sein. Mit der Realisie-rung dieser Vorhaben wird einerseitsein wesentlicher Beitrag zur Einführungneuer Therapiekonzepte und anderer-seits zur Weiterentwicklung bereitsetablierter Therapiekonzepte erbracht.

Der Erfolg des Themas wird entschei-dend davon abhängen, inwieweit esgelingt, den technisch-naturwissen-schaftlichen Beitrag innerhalb vonKompetenznetzwerken mit klinischorientierten Arbeiten zu verbinden. Um den klinischen Erfolg zu sichern,wird bereits in einer frühen Phase derEntwicklungen deren klinische Rele-vanz mit den Kooperationspartnernabgestimmt und in die Themeneingebracht.

Regenerative Medicine and Organ-Assist Syste m s

The increasing life expectancy of thepopulation in industrialised countrieshas resulted in an increase in geriatricdiseases, such as degenerative jointdisorders, permanent and temporaryorgan failure, etc. In addition – due toaccidents and diseases – a growingnumber of younger people are alsobecoming dependent on tissue andorgan replacement. These generaldevelopments in health care generatea significantly increasing demand fornovel therapeutic concepts of tissueand organ regeneration.

The field of regenerative medicineincorporates biomaterials science,medical device technology, stem cell

research and clinical research to pro-vide new therapeutic tools to solve theproblems listed above.

The Institute of Chemistry has started anew research programme “RegenerativeMedicine” to develop novel biomateri-als with controlled degradation, releaseof drugs and shape memory effect that can be used as scaffold materialsfor the engineering of tissues. Thisinvolves the application of stem cellresearch and comprehensive testing ofmaterials biocompatibility and functio-nality in vitro and in vivo. A close co-operation with clinical partners ensuresa targeted development of productsand their later clinical application.

In einer Elektrophorese werden Proteine zur anschließenden Analyse nach ihrem Molekulargewicht aufgetrennt.

In an electrophoresis proteins are separated according to their molecular weight for further analysis.


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Struktur der Materie • Structure of Matter

Das GKSS-Forschungszentrumnutzt seinen ForschungsreaktorFRG-1 für Forschungs- und Ent-wicklungsarbeiten im Bereich derstrukturellen Charakterisierungverschiedener Materialien. Durchpermanente Ausbaumaßnahmenkonnte eine auf der Welt nahezueinmalig hohe Verfügbarkeit anNeutronen erreicht werden.

Die hohe Attraktivität der Neutronenbegründet sich auf verschiedene, ein-zigartige Eigenschaften und daraus re-sultierende Untersuchungsmöglichkei-ten. Einerseits können Neutronen Ma-terie leicht durchdringen, was dieDurchstrahlung und Strukturuntersu-chung tief im Inneren auch größererBauteile gestattet (siehe GKSS-Jahres-bericht 2001/2002). Andererseits istdie Wechselwirkung von Neutronenmit den beiden Wasserstoffisotopen1H (Wasserstoff) und 2H (Deuterium)deutlich verschieden. Dies ist beson-ders bei der Untersuchung von weicherMaterie von Bedeutung. Eine zurNeutronenstreuung komplementäreSonde ist die Synchrotronstrahlung.Hierbei wird mit einem Speicherringwie am Hamburger DESY Röntgen-und γ-Strahlung erzeugt. Die hohe Auf-lösung und Intensität der Strahlung er-möglicht ergänzende Untersuchungen,die mit Neutronen nicht möglich sind.

Hinter dem Begriff 'weiche Materie'verbergen sich so unterschiedliche Be-reiche wie Polymere, Kolloidsystemeund Emulsionen oder biologische Mo-leküle. Allen gemein ist, dass es sichum wasserstoffhaltige Materialien han-delt. Da Neutronen in der Lage sind,Isotope zu unterscheiden, kann mandurch Isotopensubstitution, also denAustausch von Wasserstoff (1H) gegenDeuterium (2H), interessante Bereichemarkieren und einzeln untersuchen.Der Einsatz der Synchrotronstrahlung

im Bereich weicher Materie beziehtsich in der Regel auf sehr schnelleMessungen mit hoher Auflösung oderauf Messungen, bei denen schwerereElemente in eine 'weiche' Matrix einge-bettet sind. Hier kann man eine Beson-derheit der Synchrotronstrahlung aus-nutzen, bei der sich das Streuvermö-gen einer Probe in Abhängigkeit derWellenlänge des Lichtes verändert (An-omale Dispersion). Auch damit kanneine 'Anfärbung' interessanter Bereiche

erzielt und Strukturinformation gewon-nen werden. Da es eine enge räum-liche und thematische Vernetzung mitdem Sychrotronstrahlungslabor HASY-LAB in Hamburg gibt, sind unser Stand-ort und die daraus resultierenden Mög-lichkeiten für die Strukturuntersuchungbesonders günstig. Im Folgenden sol-len einige Beispiele gegeben werden,wie Neutronen- und Synchrotronstrah-lung zur Untersuchung von weicherMaterie eingesetzt werden können.

U n tersuchungen an weicher Materie mitNeutronen- und Synchrotronstrahlung

Herstellung eines Lipidfilmes, um zu untersuchen, wie Peptidantibiotika eine Biomembran zerstören.

Preparation of a lipid film to investigate the destruction mechanism of peptide antibiotics on bio membranes.


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Forschung mit Photonen, Neutronen und Ionen • Research with Photons, Neutrons and Ions

Membranen für die Brennstoffzelle

Brennstoffzellen sind eine hervorragen-de Alternative, um sauber und wirt-schaftlich Energie zu erzeugen. DieEntwicklung ist heutzutage so weit ge-diehen, dass es bereits Anlagen zumstationären Betrieb gibt, und auch fürmobile Anwendungen wie in der Auto-mobil-Industrie oder kleinen Elektro-geräten sind Brennstoffzellen im Ge-spräch. Das Kernstück einer Methanol-Brennstoffzelle ist eine Membran, diesowohl hervorragende Trenneigen-schaften haben muss, als auch in derLage zu sein hat, die elektrischenLadungsträger (Protonen) zu leiten.

Die Entwicklung von verbessertenMembranen ist daher bei GKSS einwichtiges Thema. Eine Besonderheit

der Forschungsarbeiten bei GKSS istdie Verbindung der chemischen Ent-wicklung verbesserter Membranen mitder Untersuchung der inneren Strukturder Membranen. Ziel ist es zu verste-hen, warum eine Membran die Proto-nen besser leitet als eine andere, umso ein zielgerichtetes Design vonBrennstoffzellmembranen anzustreben.

Ausgangspunkt der Untersuchungen istdie strukturelle Charakterisierung kom-merziell erhältlicher Membranen, umzu verstehen, wie die mehr oder weni-ger guten Eigenschaften dieser Mem-branen bezüglich des Einsatzes in einerMethanol-Brennstoffzelle begründetsind. Bei GKSS werden dann weiter-führend verschiedene Membranenpräpariert. Es werden sowohl dieGrundmaterialien, als auch verschiede-

ne Additive variiert und kombiniert.Darüber hinaus stehen unterschiedli-che Herstellungsverfahren zur Wahl. Injedem Fall schließt sich an die Herstel-lung und physiko-chemische Charakte-risierung der Membranen die Untersu-chung der Membranstrukturen an. ImGegensatz zu den mikroskopischenAufnahmen der Membranen, die demBetrachter einen visuellen, aber räum-lich begrenzten Eindruck des Materialsgeben, können Streumethoden statisti-sche Parameter in einem relativ großenVolumen liefern und sind in der Regelin der Lage, sehr kleine, aber bei Leit-fähigkeitsprozessen vermutlich um sowichtigere Strukturen aufzulösen. Hierwird die ideale Ergänzung zwischenMikroskopie und Streumethoden deut-lich sichtbar.

Schemazeichnung einer Brennstoffzelle Schematic view of a fuel cell

Neutronenstreuspektren Neutron scattering spectra

Im linken Bild ist schematisch der Aufbau und die Funktionsweise einer Brennstoff-zelle gezeigt. Durch die Reaktion von Wasserstoff (H2), der durch die Brennstoff-zellmembran wandert, mit Sauerstoff (O2) entsteht Energie und Wasser (H2O).

Die rechte Abbildung zeigt Neutronenstreuspektren verschiedener Membranen,die zum Aufbau einer Brennstoffzelle verwendet werden. Das Polymer Nafion hateine sehr hydrophobe Polymermatrix und ionische Seitenketten, die eine getrenn-te Phase und somit innere Strukturen bilden. Dem gegenüber sieht man eineMembran aus sulfoniertem Polyetherketone. Hier wurde das Polymer statistischfunktionalisiert, so dass sich keine besondere innere Struktur ergibt. Anhand derdeutlich unterschiedlichen Kurvenverläufe können Aussagen zur inneren Strukturder Membranen gemacht werden. So sieht man z. B. für kommerziell erhältlichesNafion eine strukturierte Streukurve mit einem kleinen Maximum. Die Lage desMaximums bedeutet, dass wir es hier mit Aggregaten in der Probe zu tun haben,die in der Größenordnung einiger 10-10 m liegen. Je weiter rechts das Maximumliegt, desto kleiner sind die Aggregate. Wir sehen, dass in der trockenen Mem-bran die Aggregate kleiner sind als in einer feuchten Nafion-Membran. Das heißt,durch das Aufquellen der Membran in Wasser vergrößern sich die Aggregate.Demgegenüber bilden sich keine erkennbaren Strukturen in der statistisch funk-tionalisierten Polyetherketonemembran aus (strukturlose Kurve).

In the left picture, a schematic view of a fuel cell can be seen. The hydrogenatoms (H2) permeate through the membrane and react with oxygen (O2) onthe other side. Thus energy and water (H2O) are produced.

In the right picture, neutron scattering spectra from different fuel cell membra-nes can be seen. The polymer Nafion has a very hydrophobic polymer matrixand ionic side chains giving rise to a distinct internal structure which is also visi-ble in the scattering pattern. The sulfonated poly ether ketone membrane doesnot show any significant scattering because of the statistical distribution of its po-lymer components. The different characteristics of the scattering curves permitsome conclusions about the microscopic structure to be drawn. For the commer-cially available membrane Nafion a small maximum can be seen. This tells usthat the membrane contains aggregates in the size range 10-10 m. The furtherto the right the maximum is, the smaller are the aggregates. In the dry membra-ne the aggregates are smaller than in the wet membrane, which means thatwater induces a swelling in the membrane. From the scattering curve of the polyether ketone one can conclude that no distinct internal structure was built up.


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Kolloide

Kolloide spielen sowohl in der beleb-ten, als auch in der unbelebten Natureine entscheidende Rolle. Das wohlbekannteste kolloidale System istMilch. Dort finden sich besonders feinzerteilte Partikel in Lösung, die zumeistaus Ansammlungen von organischenbzw. biologischen oder anorganischenMolekülen bestehen.

Die Teilchengrößen liegen im meso-skopischen Größenbereich, d. h. sie er-strecken sich vom Nanometer- bis inden Mikrometerbereich. Im Blut spie-len z. B. die kolloiden Plasma-Proteinefür die Aufrechterhaltung des kolloid-osmotischen Drucks eine wichtige Rol-le. Industriezweige wie die Pharma-,Gummi-, Textil-, Kunststoff-, Leder-,Leim-, Nahrungsmittel-, Sprengstoff-und Seifen-Industrie haben im Wesent-lichen mit Kolloiden zu tun. Obwohldie hier aufgeführten Bereiche, in de-nen Kolloide eine Rolle spielen, weitgestreut sind, können die Grundlagen-phänomene mit den gleichen Metho-

den, in diesem Fall der Neutronen-und Synchrotronstreuung, untersuchtwerden. Ungelöste Fragen dabei sinddie Einflüsse von Temperatur, pH-Wert,Ladung, Vermischung verschiedenerSubstanzen und/oder deren Konzen-tration bei der Bildung von Mizellenoder Liposomen (kleine meist kugel-förmige Strukturen) in Tensidsystemenoder Mikroemulsionen.

Eine in der letzten Zeit unter Umwelt-aspekten besonders interessante Fra-gestellung lautet: Ist es möglich, her-kömmliche Tenside durch Naturstoffezu ersetzen, die in der Herstellung billi-ger und vor allem im Einsatz und derEntsorgung umweltfreundlicher sind?Besonderes Augenmerk richtet sich da-her auf die so genannten Glykolipide.Sie sind Bestandteile von Zellmembra-nen, die die Eigenschaft haben, sich inwässriger Lösung zu Kolloidteilchen zu-sammenzulagern. Damit können siezum Transport von Arzneimitteln an ei-nen Wirkort im Körper eingesetzt wer-den. Zudem besitzen diese Glykolipideoft auch pharmazeutische Wirkungen

(wie beispielsweise Hemmung desKrebszellenwachstums, antibakterielleoder antivirale Aktivität u. a.). Mit Neu-tronen- und Synchrotronstreuung wur-den verschiedene Moleküle dieserStoffklasse untersucht und festgestellt,unter welchen Randbedingungen siefür welche Anwendungsfelder einge-setzt werden können.

Einfluss von anorganischen Additiven auf die innere Struktur der BrennstoffzellmembranInfluence of inorganic additives on the microstructure of the fuel cell

Hier sieht man am Beispiel von Synchrotronmessungen, dass sich zwei verschiedene anorga-nische Komponenten (auf Zirkonbasis) unterschiedlich in die Membran einlagern. Im linkenBild ist ein scharfer Reflex zu erkennen, was bedeutet, dass man hochgeordnete anorganischeSchichtstrukturen findet. Im rechten Bild sieht man einen wesentlich breiteren Reflex. Hier sindzwar immer noch kleinere geordnete Bereiche zu erkennen, jedoch hat eine andere Anord-nung der anorganischen Zusatzstoffe stattgefunden. Eine wichtige zusätzliche Information istdarüber hinaus der Abstand zwischen den Schichten der anorganischen Zusatzstoffe.

In the synchrotron radiation spectra of two membranes with differentinorganic additives (based on zirconium) it can be seen that thezirconium particles are built into the membrane in different ways. Inthe left picture a sharp peak is visible indicative of a highly ordered,inorganic layered structure in the membrane. In the right picture thispeak is broadened indicating that some ordered region still exist inthe membrane but also that the ordering is less pronounced. Impor-tant information on the layer spacing of the inorganic additive canalso be derived.

Kolloidsysteme (Modell) finden sich überall imtäglichen Leben: z.B. in Milch oder Waschmittel.

Colloid systems are found everywhere in our dailylife: for example in milk or cleaning substances.


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Peptidantibiotika

Die wachsende Resistenz von Bakte-rien gegenüber Antibiotika ist seit lan-gem ein bekanntes und gefürchtetesProblem. Es wird mit Hochdruck darangearbeitet, neue Antibiotika zu ent-wickeln bzw. sich nach Alternativenumzusehen.

Ein möglicher Ausweg könnten Sub-stanzen sein, die sich im angeborenenImmunsystem nahezu aller Lebewesenbefinden und die seit etwa 15 Jahrenerforscht werden: Antibakterielle Pep-tide. Sie sind in der Natur weit ver-breitet. Man findet sie zum Beispiel in Insekten (Cecropine), Amphibien(Magainins), aber auch in Säugetieren(Defensine).

Diese Peptide sind meist relativ klein(20 - 30 Proteinbausteine) und zeich-nen sich durchweg durch eine Struktur

aus, die klar in wasserliebende und wasserabweisende Bereiche gegliedertist. Im Gegensatz zu herkömmlichenAntibiotika, deren Wirksamkeit auf derInteraktion mit bakteriellen Proteinenberuht, wirken Peptidantibiotika durcheine direkte physikalische Zerstörungder bakteriellen Membran.

Darauf beruht auch die Hoffung, Resis-tenzen entgegenwirken zu können.Denn zum einen erscheint eine Verän-derung der bakteriellen Membranen,die sich seit Jahrmillionen kaum verän-dert haben, unwahrscheinlich. Zum an-deren werden die Bakterien so schnellzerstört, dass es für sie keine Möglich-keit gibt, die Information zum Mem-bran-Umbau weiterzugeben. Die ge-nauen Wirkmechanismen der Peptidesind bislang jedoch unverstanden undGegenstand der Untersuchungen.

Mit Neutronen- und Synchrontonstreu-ung lassen sich wiederum komplemen-täre Informationen gewinnen, man be-trachtet sozusagen beide Seiten einerMedaille. Zum einen erkennt man, wiedie Zellmembran auf die Anwesenheitder Peptidantibiotika reagiert. Einewichtige Erkenntnis ist z. B., dass einspezielles antibakterielles Peptid beieiner bestimmten Sorte von Lipid dieKrümmung der Membran 'nach außen'unterstützt. Dies führt zwangsläufig zumAufbrechen der ansonsten 'nach unten'gekrümmten Membran. Daneben ist esmöglich, die Position des Peptides inder Membran zu bestimmen. Dies istwichtig für folgendes Problem: Manbeobachtet, dass die Membran irgend-wann einmal durchlässig wird und dasBakterium sozusagen platzt. Doch wa-rum platzt es? Werden Poren gebildetoder reißt die Membran einfach auf?

Aufbau einer Biomembran Model of a bio membrane

[Lodish et al., Molecular Cell Biology, 4th edition, Freeman, New York., 1999]

[Lodish et al., Molecular Cell Biology, 4th edition, Freeman, New York., 1999]

Exterior

Cytosol HydrophilicProtein

Integral protein Peripheral proteinsHydrophilic polarhead

Fatty acyl tails

Leaflets

Oligosaccharide Glycoprotein

Integralprotein

Peripheral proteinGlycolipid


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Aus dem oben gesagten kann manzwar schon ableiten, dass die Mem-bran höchstwahrscheinlich aufreißt. MitNeutronenstreuung 'sieht' man jedochdirekt, dass das Peptid sich auf derOberfläche der Membran befindet undkeine Poren bildet.

Structural Characterization of Soft Matter with Neutron and Synchrotron Radiation

Das klassische Allheilmittel gegen Bakterien: das Pilzgift Penicillin.

The classical antibiotic against bacteria: the poison 'Penicillin' from the fungus Penicilliumnotatum.

Aufbau eines Kolloidteilchens aus GlykolipidModel of a colloid particle composed of glyco lipids

GKSS Research Center is using its re-search reactor FRG-1 for research anddevelopment tasks in terms of struc-tural characterization of a variety ofmaterials. Permanent upgrading of thefacility has led to a world wide uniqueavailability of our neutron source. Theexceptional attraction of neutrons isdue to several unique neutron pro-perties and the resulting possibilitiesfor experiments.

On the one hand, because of theirneutral charge, neutrons can easily pe-netrate matter. This allows the investi-gation of structural aspects even deepinside large components (see GKSSAnnual Report 2002). On the otherhand the interaction of neutrons withhydrogen (1H) or its heavier isotopedeuterium (2H) is significantly diffe-rent. This is most important for theinvestigation of hydrogen-containing

materials such as soft matter. A com-plementary probe to neutron scatteringis synchrotron radiation. Here a highenergy accelerator such as at DESY,Hamburg, produces x-rays or γ-rayradiation. The high resolution andintensity of such sources enables in-vestigations not possible with neutrons.

The term 'soft matter' covers a varietyof materials: polymers, colloidal sys-

X-ray

solvent shell core( D2O or H20 )

1614121086420-2

Neutron

Im oberen Bildteil ist die Modellierung des so genannten Streulängendichteprofils, wie der Neutronen- oder Synchrotronstrahl es sieht, dargestellt. Darunter befindet sich die schematische Abbildung der Mizelle. [L. He, V. Garamus, S.S. Funari, M. Malfois, R. Willumeit, B. Niemeyer (2002) J.Phys.Chem.B 106, 7596-7604]

In the upper diagram the modelling of the so called scattering length density profiles as seen by neutron and synchrotron radiation is displayed. Below a schematic drawing of the resulting structure can be seen.


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tems or micro emulsions and biological(macro)molecules. They have in com-mon that they are all hydrogen-contai-ning materials. Since neutrons reactselectively to the hydrogen isotopes,one can highlight interesting regions ina multi-component system by isotopicsubstitution (exchange of 1H versus2H). Additionally, synchrotron radiationcan be used for the investigation ofsoft matter if time resolved measure-ments with high resolution are neededor if certain heavier elements are fo-und in the sample. Here a special fea-ture of synchrotron radiation can beused. For these elements the scatteringprobability changes with the wave-length of the radiation thus also givingthe possibility to highlight selected regi-ons in the sample (anomalous disper-sion).

The proximity and strong thematic cor-relation with the synchrotron radiationlaboratory HASYLAB, Hamburg, allowsGKSS to offer very good possibilities forstructural investigations in Germany.

Gängige Modellvorstellungen zur Zerstörung von biologischen Membranen durch PeptideTwo possible explanations as to how a peptide antibiotic can destroy a bio membrane

Das 'Carpet Model' erklärt die Membranzerstörung mit der Anlagerung der Pepti-de wie in einem Teppich an der Oberfläche der Membran. Dadurch soll die inne-re Struktur der Lipide gestört werden, was das Aufbrechen der Membran und da-mit das Eindringen von Wasser in die Zelle zur Folge hat. Das 'Barrel Stave Mo-del' sagt vorher, dass sich die Peptide in Form von Poren in die Membran einla-gern, was ebenfalls das vermehrte Einströmen von Wasser und damit ein Platzender Zellen zur Folge hat.

The 'carpet model' explains membrane disruption by adhesion of the peptidemolecules like a carpet on the surface of the membrane. This disturbs the innerstructure of the lipid bilayer which results in membrane disruption and the ent-rance of water into the bacteria. The 'barrel stave' model predicts that the pepti-de generates pores in the membrane which also give rise to the flow of waterinto the cell which finally bursts.


G KSS – Service und Te c h n i kG KSS – Technical Services

E+B_GKSS JB C+D ab 38 28.08.2007 12:17 Uhr Seite 1

Mit Pilotanlagen, die im Technikumentwickelt und gebaut werden, kannGKSS im Vorfeld der industriellen An-wendung neue technische Verfahrenerproben und zur Reife bringen. Diesist wichtig bei allen Forschungsaufga-ben, die sehr technologieorientiert sindund bei denen eine große Marktnäheerhalten bleiben muss, wie in der Zu-sammenarbeit mit industriellen Part-nern oder Behörden. Deshalb könnenbei GKSS Forschungsarbeiten durch-geführt werden, für die technisch an-spruchsvolle, einmalige Experimentier-einrichtungen benötigt werden.

Mit modernen CAD-Arbeitsplätzenkonstruieren unsere Mitarbeiter in derKonstruktionsabteilung des Techni-kums die Geräte für unsere Forscher.Dabei sind ein großer Erfahrungs-schatz und ein breites Hintergrundwis-sen von Nutzen, da die Anwendungenvon chemischen Anlagen über Neutro-nenstrahlexperimente und werkstoff-wissenschaftliche Testverfahren bis hinzu Sedimentationsvorgängen in Flüs-sen und an der Küste reichen. In derElektronikabteilung werden Hard- undSoftware entwickelt für Aufgabenstel-lungen, die genauso verschiedenartigsind. Bei einigen Sonderentwicklungenkonnten im Rahmen des Technologie-transfers industrielle Lizenznehmer fürdie Verwertung gewonnen werden.

Die ebenfalls von der Elektronikab-teilung entwickelten Multichannel-Analyser werden demnächst am For-schungsreaktor FRM-2 in Münchenauch von anderen Forschungsinstituteneingesetzt.

Dazu gehören natürlich modern aus-gestattete Werkstätten, in denen Proto-typfertigungen sowie Änderungen undReparaturen durchgeführt werden. Ins-besondere bei laufenden Experimen-ten, Feldkampagnen und knapp termi-nierten Forschungsaufträgen für Dritteist ein schneller, unbürokratischer Zu-griff auf erfahrenes Werkstattpersonalerforderlich.

Durch Bündelung der erforderlichenKompetenz (Konstruktion, Elektronikund Fertigungstechnik) in einer zen-tralen Stelle werden ein hohes Maß anFlexibilität, eine gute Auslastung derFachkräfte und ein Optimum anQualität erreicht. Voraussetzung hierfürist aber, dass es zu einer wirklichen,echten Zusammenarbeit mit denWissenschaftlern der Institute kommt.Brauchbare Experimentiereinrichtun-gen können nicht einfach bestelltwerden, sie sind jedes Mal einmalig inihrer Art und müssen gemeinsamerarbeitet werden.

Eine eigene Hausdruckerei stellt dieVeröffentlichungen her, in denen dieErgebnisse der wissenschaftlichenForschungsarbeit dargestellt werden.Dies geschieht mit hochtechnisiertenDigitaldruckern für kleine und mittlereAuflagen unter Einsatz moderner Rech-neranlagen und mit automatischenLeimbindemaschinen. Die Mitarbeiterder Hausdruckerei koordinieren dengesamten Drucksachenbedarf vonGKSS und beraten unsere Autoren ingraphischen Fragestellungen.

Wir widmen uns auch der Ausbildungdes Nachwuchses: Wir bilden aus inden Berufen Technische(r) Zeichner(in),Energieelektroniker(in) Fachrichtung An-lagentechnik, Industriemechaniker(in)Fachrichtung Maschinen-/Systemtechnikund Geräte-/Feinwerktechnik sowie Zer-spanungsmechaniker(in) FachrichtungDreh-/Frästechnik.

In der Zentralabteilung Technikumwerden wissenschaftliche Geräteund Anlagen entwickelt und ge-baut, die von unseren Wissen-schaftlern benötigt werden, aberin dieser Form nicht gekauft wer-den können. Zur Erfüllung dieserAufgabe haben wir qualifizierteund erfahrene Mitarbeiter in denAbteilungen Elektronikentwick-lung, Konstruktion und Anlagen-planung sowie Hauptwerkstattund Arbeitsvorbereitung.

GKSS – Service und Technik • Technikum

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Aus der Arbeit des Te c h n i k u m s


In the Technical Services Departmentengineers design and build the scien-tific instruments and systems thatneeded by our scientists cannot bepurchased in the form required. To ac-complish this task, we have qualifiedand experienced staff in the ElectronicsDevelopment, Design and SystemPlanning, and Central Workshop andWork Preparation sections.

Using pilot systems designed and builtin the Technical Centre, GKSS can testand fully develop new technical me-thods in the run-up to their industrialapplication. This is important for allresearch tasks that are very technology-oriented and require the preservationof a high degree of marketability, as incollaboration with industrial partners orgovernment agencies. Hence, at GKSSit is possible to conduct research re-quiring technically advanced, one-of-a-kind experimental facilities.

With modern CAD workstations, ourstaff in the design department of theTechnical Centre create the equipmentfor our researchers. For this, a wealth ofexperience and extensive backgroundknowledge are useful because the ap-plications range from chemical plants,neutron beam experiments and testingmethods for materials science to sedi-mentation processes in rivers andcoastal areas. In the Electronics Depart-ment, hardware and software are deve-loped for jobs equally diverse. Techno-logy transfer has included the licensingof some of the special developmentsto industrial firms for commercial ex-ploitation. The multi-channel analysersdeveloped by the Electronics Depart-ment will soon be used at the researchreactor FRM-2 in Munich by other re-search institutes as well.

Naturally, this requires workshops withmodern equipment, where prototypesare manufactured and modificationsand repairs are made. Fast, unbureau-

cratic access to experienced workshoppersonnel is particularly necessary inthe case of ongoing experiments, fieldcampaigns and research assignmentswith tight deadlines carried out for thirdparties.

By bundling the required expertise(design, electronics and production en-gineering) at a central point, the Tech-nical Centre achieves a high degree offlexibility, efficient use of the specialiststaff and an optimal level of quality.This requires, however, that real andgenuine cooperation takes place withthe scientists in the institutes. Useableexperimentation facilities simply cannotbe ordered; each is unique and mustbe developed collaboratively.

An in-house print shop creates thepublications in which the results of thescientific research are presented. Thisis accomplished using high-tech digitalprinters for small and medium-sizedruns, modern computer systems andautomatic glue binding machines. Thestaff of the in-house print shop coordi-nates all of GKSS’ print needs and givesour authors advice on graphics questions.

We are also devoted to vocationaltraining for the younger generation: We provide training for the followingcareers: technical draftsman, powerelectronics technician specializing insystems engineering, industrial fitterspecializing in mechanical/systemsengineering and instrument/precisionmechanics, and machinist specializingin turning/milling.

GKSS – Technical Services • Central Technical Services Department

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The Central Technical Services Depart m e n t


Entwicklung, Aufbau und Betriebder Neutronenstreueinrichtungenam FRG-1 sind im WesentlichenBestandteil der GKSS-Programm-schwerpunkte „Forschung mitPhotonen, Neutronen und Ionen“,„Funktionale Werkstoffsysteme"und „Küstenforschung". Mit dieserEinbindung wird erreicht, dass dieForschung mit Neutronen wenigermethodisch, sondern thematischan den auf industrieller Nutzungund Anwendung ausgerichtetenForschungszielen der Werkstoff-entwicklung orientiert ist.

Neben dem Einsatz im GKSS-Forschungs-programm werden die Bestrahlungs-möglichkeiten des Forschungsreaktorssowie die in den letzten Jahren ausge-bauten experimentellen Neutronen-streueinrichtungen in enger Zusam-menarbeit mit der Industrie, den Hoch-schulen, Behörden und Ämtern genutzt.Die international anerkannte experi-mentelle Ausstattung, verbunden miteiner großen Verfügbarkeit des FRG-1,hat zu einer intensiven Zusammenar-beit mit in- und ausländischen Wissen-schaftlergruppen geführt. Diese hatsich weiter verbessert, nachdem es imMärz 2000 möglich war, durch eineHalbierung der Größe des Reaktor-kerns den Neutronenfluss um ca. 80%weiter zu erhöhen. Der jetzt vorhande-ne ungestörte Neutronenfluss von 1,4x 1014 n/cm2 s ist einmalig für einenForschungsreaktor dieser Leistung.

Aus den Anforderungen der wissen-schaftlichen Arbeiten leiten sich dieAufgaben und Ziele der GKSS-Zentral-abteilung Forschungsreaktor ab: vielebrauchbare Neutronen, sicher undzuverlässig, aber auch kostenbewusst,mit dem FRG-1 zu produzieren. Die Si-cherheit ist dabei oberstes Gebot, demsich die weiteren Ziele unterordnen.

GKSS – Service und Technik • Forschungsreaktor

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Der Forschungsreaktor FR G - 1

Von der Zentralabteilung Forschungs-reaktor werden ferner Bestrahlungs-aufträge für andere wissenschaftlicheEinrichtungen, Hochschulen, Behördenund Ämter durchgeführt. Die Herstel-lung medizinischer Präparate fürdiagnostische Zwecke gehört ebensodazu wie die Bestrahlung von Probenaus unserer Umwelt zur Beurteilungder Schwermetallbelastung.

Der FRG-1 ist ein Forschungsreaktormit einer thermischen Leistung vonfünf Megawatt. Er ist als Strahlrohr-reaktor ausgelegt, das heißt, die durchnukleare Spaltung entstehenden Neu-tronen werden über Strahlrohre vomReaktorkern zu den Experimenten ge-leitet. Der FRG-1 wurde bereits 1958

in Betrieb genommen. Kontinuierlichwurde und wird er dem sich ändern-den Stand von Wissenschaft und Tech-nik angepasst. Hierzu gehören auchdie regelmäßige Überprüfung der Be-triebsvorschriften, die Bedienungsan-weisungen, regelmäßige und intensivePersonalschulungen, umfangreicheund wiederkehrende Prüfungen unddie vorbeugende Wartung wichtigerAnlagenteile. Hierdurch wird aktiv dersicherheitstechnische Standard der An-lage gefördert und die Ergebnisse undEmpfehlungen in Abstimmung mit denzuständigen Genehmigungsbehördenumgesetzt. Durch die Summe dieserMaßnahmen steht der Wissenschaft mitdem FRG-1 eine der modernsten Neu-tronenquellen Europas zur Verfügung.


The development, construction andoperation of the neutron scatteringfacilities at FRG-1 are essential ele-ments of the GKSS research pro-grammes ”Research with Photons,Neutrons and Ions”, ”AdvancedEngineering Materials” and ”Coast-al Research”. This integration en-sures that research using neutronsat GKSS is oriented less towardmethodology and more towardresearch goals in the area of ma-terials development tailored toindustrial applications.

In addition to their use in the GKSSresearch programme, the radiationcapacities of the research reactor aswell as the experimental neutronscattering facilities (which have beenexpanded over the last few years) areemployed in close cooperation withindustry, colleges and universities andgovernment agencies. The world-classresearch equipment and the highavailability of FRG-1 have led toextensive cooperation with teams ofscientists from Germany and abroad.This situation improved even furtherafter a 50-percent reduction in the sizeof the reactor core in March 2000enabled the neutron flux to beincreased by 80 percent. The resultingunimpeded neutron flux of 1,4 x 1014

n/cm2 s is unparalleled for a researchreactor of this power.

The requirements of scientific workform the basis for the tasks and goalsof the Central Research Reactor depart-ment at GKSS, i.e., using FRG-1 toproduce many usable neutrons in a -safe, reliable and cost-efficient manner.Top priority is given to safety, with allother goals subordinate to this require-ment. The Central Research Reactordepartment also conducts radiationexperiments for other scientific

institutions, colleges and universitiesand government agencies. Thisincludes the production of medicalpreparations for diagnostic uses as wellas the irradiation of environmentalsamples to determine the level ofheavy metals they contain.

FRG-1 is a research reactor with a ther-mal power of five megawatts. It is de-signed as a beam hole reactor, whichmeans that the neutrons created bynuclear fission are transported to theresearch locations via beam holes.FRG-1 became operational in 1958.Since then it has been continually up-

dated to incorporate the latest scientificand technological developments. Thisincludes a regular review of the ope-rating guidelines and the operatinginstructions, as well as regular and ex-tensive training courses for personnel,comprehensive and repeated testingand the preventive maintenance of thefacility’s important components. Thisenables the facility’s safety technologyto be actively improved and results andsuggestions implemented in close co-operation with the responsible regula-tory authorities. Taken together, thesemeasures guarantee that FRG-1 pro-vides scientists with one of the most

GKSS – Technical Services • Research Reactor

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The FRG-1 Research Reactor


G KSS – Zahlen, Daten, Fa k te nG KSS – Facts and Figures


GKSS Daten und Fakten • Organe und Gremien

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O r g a n i s a t i o n s f o r m

Das GKSS-Forschungszentrum ist eine gemeinnützige For-schungsgesellschaft mit beschränkter Haftung. Ihre Gesell-schafter sind die Bundesrepublik Deutschland, die LänderBrandenburg, Freie und Hansestadt Hamburg, Niedersach-sen und Schleswig-Holstein, die Gesellschaft zur Förderungdes GKSS-Forschungszentrums e.V. sowie namhafte Wirt-schaftsunternehmen. Sitz der Gesellschaft ist Geesthacht.Zur GKSS gehört als auswärtiger Betriebsteil seit 1992 derStandort Teltow bei Berlin.

Die zur Deckung des Betriebs- und Investitionsaufwandesnach Abzug der eigenen Erträge erforderlichen Zuschüssewerden zu 90 Prozent vom Bund und zu zehn Prozent vonden Ländern getragen.

GKSS hat vier Gesellschaftsorgane. Die Gesellschaft wirddurch einen technisch-wissenschaftlichen Beirat (twB) er-gänzt, der sich aus der Gesellschaft nicht angehörigen Mit-gliedern zusammensetzt und der die Gesellschaft in wissen-schaftlich-technischen Fragen und in wichtigen die Industrieund Wirtschaft betreffenden Fragen berät und bei wichtigenEntscheidungen gehört wird.

Die Gesellschaftsorgane sind:

• Geschäftsführer• Wissenschaftlich-Technischer Rat (WTR)• Gesellschafterversammlung• Aufsichtsrat

G e s c h ä f t s f ü h r u n g

Geschäftsführung am 31.03.2003:

Prof. Dr. Günter von Sengbusch- wissenschaftlichDr. Michael Voges- kaufmännisch

Prokura am 31.03.2003:

Dr. Joachim Krohn - wissenschaftlichHartwig Häger- kaufmännisch

Wi s s e n s c h a f t l i c h -Technischer Rat

Der Wissenschaftlich-Technische Rat (WTR) bildet das Forum für die interne Diskussion. Er trägt somit zur fachübergreifenden, vernetzenden Arbeitsweise der GKSSbei. Er berät die Geschäftsführung in allen wesentlichenwissenschaftlichen und technischen Fragen. Ihm gehören die Leiter der Institute sowie gewählte Vertreter derwissenschaftlich-technischen Mitarbeiter und ein Mitglieddes Betriebsrates der Gesellschaft an.

Der WTR setzte sich am 31.03.2003 aus folgendenPersonen zusammen:

Prof. Dr. Karl Ulrich Kainer (Vorsitzender)Prof. Dr. Rüdiger BormannProf. Dr. Wolfgang BrocksProf. Dr. Helmut ClemensProf. Franciscus ColijnDr. Rainer HollmannProf. Dr. Andreas LendleinProf. Dr. Bernd NeidhartDr. Klaus-Viktor PeinemannHans-Ulrich RuhnauProf. Dr. Karl-Heinz SchwalbeProf. Dr. Hans von StorchPD Dr. Regine Willumeit


GKSS Facts and Figures • Organization

The Scientific-Technical Committee provides a forum for internal discussion. As such, it helps to promote inter-disciplinary, networked working methods at GKSS. The Committee advises the management of GKSS on allmajor scientific and technical issues. The Committee ismade up of the directors of the GKSS institutes as well as elected representatives of the scientific and technicalpersonnel at the centre and a member of the GKSS workscouncil.

As of March 31, 2003, the Committee comprised thefollowing members:

Prof. Dr. Karl Ulrich Kainer (chairman)Prof. Dr. Rüdiger BormannProf. Dr. Wolfgang BrocksProf. Dr. Helmut ClemensProf. Franciscus ColijnDr. Rainer HollmannProf. Dr. Andreas LendleinProf. Dr. Bernd NeidhartDr. Klaus-Viktor PeinemannHans-Ulrich RuhnauProf. Dr. Karl-Heinz SchwalbeProf. Dr. Hans von StorchPD Dr. Regine Willumeit

Organizational Structure

The GKSS Research Center is a non-profit making researchinstitute with limited liability. Its associates are the FederalRepublic of Germany, the federal states (Länder) of Bran-denburg, Hamburg, Lower Saxony and Schleswig-Holstein,the Gesellschaft zur Förderung des GKSS-Forschungszen-trums e.V. (Society for the Promotion of the GKSS ResearchCenter) as well as a number of renowned companies. GKSSis based in Geesthacht, Germany. In 1992, the WorkingGroup Teltow became a part of GKSS.

The funds required to cover operating and investment costsafter deduction of the income generated by GKSS are provi-ded by the federal government (90 percent) and by the par-ticipating Länder (10 percent).

GKSS has four management bodies. Management is supple-mented by a Technical-Scientific Advisory Committee, whichis made up of experts who do not belong to the company.The committee, which is always consulted on importantmatters, advises GKSS on scientific and technical questionsas well as industry and business issues.

The company is composed of the following managementbodies:

• Managing Directors• Scientific-Technical Committee• Company Associates• Advisory Board

Management Board

Management Board as of March 31, 2003:

Prof. Dr. Günter von Sengbusch - Scientific IssuesDr. Michael Voges- Business Administration

Procuration as of March 31, 2003:

Dr. Joachim Krohn - Scientific IssuesHartwig Häger- Business Administration

S c i e n t i f i c -Technical Committee

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G e s e l l s c h a f te r v e r s a m m l u n gDas Stammkapital des GKSS-Forschungszentrums in Höhe von ¥ 40.903,35 wurde per 31.03.2003 gehalten von:

• Bundesrepublik Deutschland¥ 18.917,80 (46,25 %)

• Freie und Hansestadt Hamburg, Land Brandenburg, Land Niedersachsen, Land Schleswig-Holsteininsgesamt mit ¥ 2.045,17 (5 %)

• Gesellschaft zur Förderung des GKSS-Forschungszentrums e.V.¥ 7.158,08 (17,50 %)

• Gesellschaften der freien Wirtschaftmit einem Gesamtanteil von ¥ 12.782,30 (31,25 %):Aluminium Rheinfelden GmbH, RheinfeldenCommerzbank AG, Frankfurt/MainDeutsche Bank AG, HamburgDresdner Bank AG, HamburgE.ON Kernkraft GmbH, HannoverJohn T. Essberger, Hamburg, mit Deutsche Afrika-Linie GmbH & Co., Hamburg,in Gesellschaft bürgerlichen Rechts

Germanischer Lloyd AG, HamburgHowaldtswerke-Deutsche Werft AG, KielMannesmannröhren-Werke AG, MühlheimMAN Technologie AG, AugsburgL. Possehl & Co. mbH, Lübeck, mit Draegerwerk AG, Lübeck,in Gesellschaft bürgerlichen RechtsSchleswag Aktiengesellschaft, RendsburgSiemens AG, Berlin und MünchenSterling Industry Consult GmbH, ItzehoeStadtwerke Flensburg GmbH, FlensburgThyssen Krupp AG, DüsseldorfThyssen Krupp Technologies AG, EssenVattenfall Europe AG, Berlin (ehem. HEW)Verband für Schiffbau und Meerestechnik e.V., Hamburg

Technisch-wissenschaftlicher BeiratDer technisch-wissenschaftliche Beirat (twB) bildet die zentrale Verbindung zu Einrichtungen außerhalb der GKSS: zu Hochschulen, zur Industrie und zu anderen Forschungseinrichtungen. Aus jedem Arbeitsgebiet gehören deshalbmehrere Sachverständige dem Beirat an. Die Aufgabe des twB ist die Beratung der Gesellschaft und des Aufsichts-rates in allen wissenschaftlichen Fragen. Hierzu gehören insbesondere die regelmäßigen Beratungen über die lang-fristigen Forschungs- und Entwicklungsprogramme, die Beratung über den Ergebnisbericht und die Beratung der Gesellschaft bei der Planung und Ausführung ihrer Arbeiten. Der Aufsichtsrat kann dem twB weitere Aufgaben imEinzelfall zur Beratung übertragen. Die Mitglieder des twB werden vom Aufsichtsrat für vier Jahre berufen. Er bestand am 31.03.2003 aus folgenden Personen:

Prof. Dr. Dr. h.c. Wittko Francke (Vorsitzender)Universität Hamburg, Institut für Organische Chemie, HamburgDr. Bernd BauerFuMA-Tech GmbH, St. IngbertProf. Dr. Bodo von BodungenInstitut für Ostseeforschung (IOW), WarnemündeProf. Dr. Guy BrasseurMax-Planck-Institut für Meteorologie, HamburgProf. Dr. Franz FaupelTechnische Fakultät, Lehrstuhl für Materialverbunde,Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, KielDr. Dorte Juul JensenMaterials Research Department, Risø National Laboratory,Roskilde/DKDr. Torsten-Ulf KernSiemens AG, MühlheimProf. Dr. Peter LemkeAlfred-Wegener-Institut, FB Klimasystem, Bremerhaven

Prof. Dr. Reinhard LipowskyMax-Planck-Institut für Kolloid- und GrenzflächenforschungGolm, PotsdamProf. Dr. Heinrich ReinckeWassergütestelle Elbe, ARGE ELBE, HamburgProf. Niels-Peter Rühl (Vorsitzender bis 23.04.02)Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH),HamburgProf. Dr. Jochen SchneiderDESY Deutsches Elektronensynchrotron, HamburgProf. Dr.-Ing. Matthias WesslingFaculty of Chemical Technology, Membrane TechnologyGroup, University of Twente, Enschede/NLDr. Christoph WiesnerStructural Integrity Techn. Group, TWI Limited,Cambridge/UKDr.-Ing. Widu WittekindtSterling Fluid Systems GmbH, Itzehoe



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Technical and Scientific Advisory Committee The Technical and Scientific Advisory Committee serves as the main body for maintaining contact with organizations out-side GKSS, including universities, industrial companies and other research institutions. The advisory committee therefore includes as members several experts from each field of work. The task of the committee is to advise GKSSand the supervisory board on all scientific matters. In particular, this includes regular consultations concerning the long-term research and development programs, discussion of the reports on results and advice regarding the planning andexecution of the work at GKSS. The supervisory board can assign other consultative responsibilities to the committee inindividual cases. Committee members are appointed by the supervisory board and serve terms of four years. As of March 31, 2003, the committee consisted of the following persons:

Prof. Dr. Dr. h.c. Wittko Francke (Chairman)Universität Hamburg, Institut für Organische Chemie, HamburgDr. Bernd BauerFuMA-Tech GmbH, St. IngbertProf. Dr. Bodo von BodungenInstitut für Ostseeforschung (IOW), WarnemündeProf. Dr. Guy BrasseurMax-Planck-Institut für Meteorologie, HamburgProf. Dr. Franz FaupelTechnische Fakultät, Lehrstuhl für Materialverbunde, Christi-an-Albrechts-Universität zu Kiel, KielDr. Dorte Juul JensenMaterials Research Department, Risø National Laboratory,Roskilde/DKDr. Torsten-Ulf KernSiemens AG, MühlheimProf. Dr. Peter LemkeAlfred-Wegener-Institut, FB Klimasystem, Bremerhaven

Prof. Dr. Reinhard LipowskyMax-Planck-Institut für Kolloid- und GrenzflächenforschungGolm, PotsdamProf. Dr. Heinrich ReinckeWassergütestelle Elbe, ARGE ELBE, HamburgProf. Niels-Peter Rühl (Vorsitzender bis 23.04.02)Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH),HamburgProf. Dr. Jochen SchneiderDESY Deutsches Elektronensynchrotron, HamburgProf. Dr.-Ing. Matthias WesslingFaculty of Chemical Technology, Membrane TechnologyGroup, University of Twente, Enschede/NLDr. Christoph WiesnerStructural Integrity Techn. Group, TWI Limited,Cambridge/UKDr.-Ing. Widu WittekindtSterling Fluid Systems GmbH, Itzehoe

Company Associate sThe GKSS Research Center has nominal capital of ¥ 40,903.35. As of March 31, 2003, this was held by the following:

• The Federal Republic of Germany¥ 18,917.80 (46.25 %)

• The Free and Hanseatic City of Hamburg, Brandenburg, Lower Saxony, Schleswig-HolsteinThese federal states (Länder) with a combined share of ¥ 2,045.17 (5 %)

• Gesellschaft zur Förderung des GKSS-Forschungszentrums e.V. (Society for the Promotion of the GKSS Research Center)¥ 7,158.08 (17.50 %)

• Industrial Companieswith a combined share of ¥ 12,782.30 (31.25 %):Aluminium Rheinfelden GmbH, RheinfeldenCommerzbank AG, Frankfurt/MainDeutsche Bank AG, HamburgDresdner Bank AG, HamburgE.ON Kernkraft GmbH, Hannover

John T. Essberger, Hamburg, together with Deutsche Afrika-Linie GmbH & Co.,Hamburg, in a civil law associationGermanischer Lloyd AG, HamburgHowaldtswerke-Deutsche Werft AG, KielMannesmannröhren-Werke AG, MühlheimMAN Technologie AG, AugsburgL. Possehl & Co. mbH, Lübeck, together with Draegerwerk AG, Lübeck,in a civil law associationSchleswag Aktiengesellschaft, RendsburgSiemens AG, Berlin und MünchenSterling Industry Consult GmbH, ItzehoeStadtwerke Flensburg GmbH, FlensburgThyssen Krupp AG, DüsseldorfThyssen Krupp Technologies AG, EssenVattenfall Europe AG, Berlin Verband für Schiffbau und Meerestechnik e.V., Hamburg



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A u f s i c h t s r a t

Der Aufsichtsrat überwacht nach dem Gesellschaftsvertrag die Rechtmäßigkeit, Zweckmäßigkeit und Wirtschaftlichkeit derGeschäftsführung. Zu seinen Aufgaben und Befugnissen gehören weiterhin:

• die Entscheidung über strategische, forschungspolitische und finanzielle Angelegenheiten der Gesellschaft,• der Beschluss über die Grundsätze für eine Erfolgskontrolle der wissenschaftlich-technischen Arbeiten,• die Weisungsbefugnis gegenüber Geschäftsführung und Wissenschaftlich-Technischem Rat in wichtigen forschungspolitischen und wichtigen finanziellen Angelegenheiten,

• die Zustimmungspflicht bei einer Reihe von Rechtsgeschäften der Gesellschaft.

Dem Aufsichtsrat gehörten zum 31.03.2003 folgende Personen an:

Ministerialdirigent Dr. Christian D. Uhlhorn (Vorsitzender)Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn

Ministerialdirigent Dr. Birger Hendriks (stellvertretender Vorsitzender)Ministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Kultur des Landes Schleswig-Holstein, Kiel

Prof. Dr. Rolf-Dieter BehlingGesellschaft zur Förderung des GKSS-Forschungszentrums e. V., Hamburg

Dr. Klaus Borgschulte Blohm + Voss GmbH, Hamburg

Peter DeutschlandVorsitzender des DGB Landesbezirk Nordmark, Hamburg

Dr. Götz FlöserGKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Geesthacht

Ministerialdirigent Dr. Fritz HolzwarthBundesministerium für Umwelt, Naturschutz undReaktorsicherheit, Bonn

Ministerialrat Dr. Axel Kollatschny Niedersächsisches Ministerium für Wissenschaft und Kultur, Hannover

Prof. Dr. Eike LehmannTechnische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg

Olaf MeuserMitglied der Geschäftsführung der Deutschen Bank,Hamburg

Dr. Michael PfuffGKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Geesthacht

Konstanze Pistor Ministerium für Wissenschaften, Forschung und Kultur desLandes Brandenburg, Potsdam

Ministerialrat Dr. Jürgen Roemer-Mähler Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn

Dr. Nico ScharnaglGKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH, Geesthacht

Senatsdirektor Gerhard SchneiderBehörde für Wissenschaft und Forschung der Freien undHansestadt Hamburg, Hamburg



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Supervisory Board

Deputy Director General Dr. Christian D. Uhlhorn (Chairman)Federal Ministry of Education and Research, Bonn

Deputy Director General Dr. Birger Hendriks (Deputy chairman)Ministry of Education, Science, Research and Culture of theState of Schleswig-Holstein, Kiel

Prof. Dr. Rolf Dieter BehlingGesellschaft zur Förderung des GKSS-Forschungszentrums e. V., Hamburg

Dr. Klaus Borgschulte Blohm + Voss GmbH, Hamburg

Peter DeutschlandChairman of the DGB Nordmark District, Hamburg

Dr. Götz FlöserGKSS Research Centre Geesthacht, Geesthacht

Deputy Director General Dr. Fritz HolzwarthFederal Ministry for the Environment, Nature Conservationand Nuclear Safety, Bonn

Section Director Dr. Axel KollatschnyMinistry of Science and Culture of Lower Saxony, Hanover

Prof. Dr. Eike LehmannTechnische Universität Hamburg-Harburg, Hamburg

Olaf MeuserMember of the management Deutsche Bank, Hamburg

Dr. Michael PfuffGKSS Research Centre Geesthacht, Geesthacht

Konstanze Pistor Ministry of Science, Research and Culture of the State ofBrandenburg, Potsdam

Section Director Dr. Jürgen Roemer-Mähler Federal Ministry of Education and Research, Bonn

Dr. Nico ScharnaglGKSS Research Centre Geesthacht, Geesthacht

Senate Director Gerhard SchneiderMinistry of Science and Research of the Free and Hanseatic City of Hamburg, Hamburg

According to the GKSS statutes, the supervisory board monitors that management activities are appropriate, economically efficient and in conformity with legal norms. Its responsibilities and powers also include:

• making decisions concerning the research centre’s strategy, research policies and financial affairs,• deciding on the principles for evaluating the success of scientific and technical work,• the authority to issue directives to management and to the Scientific-Technical Committee in important

research policies and financial matters,• granting the consent necessary for a number of the research centre’s legal transactions.

As of March 31, 2003, the following persons were members of the supervisory board:



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GKSS Daten und Fakten • Kennzahlen

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E i n n a h m e n

Die Einnahmen der GKSS setzen sichaus der institutionellen Förderungdurch Bund und Länder und eigenenEinnahmen aus Drittmittelprojekten(z. B. bmb+f und EU) sowie Aufträgenaus der Wirtschaft zusammen.

Im Jahr 2002 lag die institutionelle För-derung bei rund 63 Mio EUR. Es ist zuerwarten, dass sich die institutionelleFörderung auch in den nächsten Jah-ren auf diesem Niveau bewegen wird.

Die Einnahmen aus Aufträgen undProjektförderungen von Bund undLändern, in- und ausländischen Wirt-schaftsunternehmen, internationalenOrganisationen und sonstigen Erträgenlagen 2001 bei ca. 17 Mio EUR p. a..Sie konnten erfreulicherweise von2001 auf 2002 auf mehr als 19 MioEUR gesteigert werden.

Der größte Anteil an den Erträgen ausProjektförderungen stammt aus Projek-ten des Bundes und der Länder, dieneben der institutionellen Förderungauf Grund von Einzelanträgen derGKSS gewährt wurden.

Der zweite wesentliche Beitrag zu denEinnahmen stammt aus den Projekt-förderungen durch internationale Orga-nisationen, im Wesentlichen durch dieEuropäische Union. Dieser Anteil anden eigenen Erträgen konnte in denletzten Jahren verdoppelt werden. An-zeichen für eine weiterhin sehr positiveEntwicklung in diesem Bereich liegenvor.

Der drittgrößte Beitrag an den Erträgenstammt aus Einnahmen aus inländi-schen Wirtschaftsunternehmen.

EinnahmenIncome

Mio EURO


GKSS Facts and Figures • Key Figures

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I n c o m e

GKSS finances its activities withsubsidies from the German federal andstate governments as well as throughits own income from projects fundedby third parties (e. g. from the GermanMinistry of Education and Researchand the EU), and from private andpublic business contracts.

Public subsidies amounted to approxi-mately EUR 63 million in 2002. It isexpected that this funding will remainat about the same level in the comingyears.

Annual income from project subsidiesand contracts from the federal andstate governments as well as fromGerman and foreign companies, inter-national organizations and other sour-ces amounted to approximately EUR17 million over the last few years. Thistype of income increased noticeably upto EUR 19 million in the years 2001and 2002.

The largest share of project fundingcomes from the federal and stategovernments. It is granted to GKSS on the basis of individual projectapplications and is not part of publicsubsidies.

The second-largest contribution toincome comes from project funding byinternational organizations, particularlythe European Union. The share ofGKSS’ own income accounted for bysuch funding has doubled in recentyears, and there are clear indicationsthat this positive trend will continue.

The third-largest contribution to incomecomes from German companies.

Einnahmen von internationalen Organisationen (EU)Income from international organizations (EU)


GKSS Daten und Fakten • Kennzahlen

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E x p e n d i t u r e

A u s g a b e n

Die Gesamtausgaben der GKSS ent-sprechen den gesamten Einnahmen,da GKSS als gemeinnützige GmbHkeine Gewinnabsichten verfolgt. Dengrößten Ausgabenblock stellen diePersonalausgaben dar. Sie betrugen im Jahr 2002 ca. 34,4 Mio EUR undliegen damit bei ca. 42 % derGesamtausgaben.

Die Sachausgaben mit 30,7 Mio EURim Jahr 2002 betrugen – wie auch inden zurückliegenden Jahren – ca. 1/3der Gesamtausgaben. Ihre Höhe ist einZeichen dafür, dass GKSS weiterhin aufeine ausreichende Ausstattung mit Ar-beitsmitteln zurückgreifen kann.

Die Investitionen zeigen einen unter-schiedlichen Verlauf in Abhängigkeitzum jeweiligen Ausbauprogramm. Sie liegen jedoch auf einem gesun-den Niveau, das einen für eineForschungseinrichtung notwendigenschnellen Erneuerungsprozessermöglicht.

Because GKSS is a non-profit organiza-tion, its total expenditure is as high asits income. The largest single item ispersonnel costs, which amounted tosome EUR 34,4 million in 2002, or ap-proximately 42 % of the centre’s totalexpenditure.

In 2002, the cost of materials andequipment remained at about thesame level as in previous years,coming in at EUR 30,7 million, orabout a third of total expenditure. Thishigh level ensures that GKSS will conti-nue to have sufficient working materials.

The development of investment varieddepending on the expansion programin question. Investments were at a rela-tively high level, however, thus allowingGKSS to modernize at a rate necessaryfor a research institute.

AusgabenExpenditure


GKSS Facts and Figures • External Interactions

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Pe r s o n a l

Over the past few years, GKSS hasbeen compelled to continue reducingthe workforce financed with basicfunds (classification plan staff) in accor-dance with the demands of the federaland state governments. The total num-ber of established posts at the researchcentre has been reduced by approx.25 percent over the past ten years. Toprevent staff levels from being reducedtoo strongly, GKSS needs to obtain ad-ditional funding from third parties. Inaddition to the positions listed in the

classification plan, GKSS also employsalmost 300 temporary workers(trainees, graduate and post-graduatestudents, post-doctoral fellows).

Despite sufficient funding, this reduc-tion in the workforce is threatening theinstitute’s scientific infrastructure and, ifcontinued, will endanger the centre’sability to function.

The German parliament’s budget com-mittee created the basis for implemen-

ting programme-orientated funding inApril 2003 by approving the introduc-tion of flexibility tools.

Training plays an important role atGKSS, and over the last few years thenumber of trainees has continuously ri-sen to the current level of more than40 and will continue to rise. GKSS alsoputs great store on the continuing andfurther education of its staff to ensurethat human resources are employed asoptimally as possible.

Pe r s o n n e l

Die von Bund und Ländern geforderteStellenreduktion im Rahmen derGrundfinanzierung (Personal im Stel-lenplan) musste in den letzten Jahrenweiter fortgeführt werden. Insgesamtbetrug der Rückgang der Planstellen inden letzten 10 Jahren ca. 25 %. Umdieser Entwicklung entgegen zu wirken,müssen daher auch weiterhin verstärktDrittmittel zur Finanzierung von zusätz-lichem Personal eingeworben werden. Fast 300 Mitarbeiter und Mitarbeiterin-nen wurden außerhalb des Stellen-plans auf zeitlich befristeten Stellen ge-führt (Doktoranden, Postdoktoranden,Diplomanden und Auszubildende).Dieser kontinuierliche Personalabbau

gefährdet inzwischen die wissenschaft-liche Infrastruktur in ihrer Existenz undstellt bei weiterer Fortführung die Funk-tionsfähigkeit ernsthaft in Frage. Mit derZustimmung zur Einführung der Flexibi-lisierungsinstrumente durch den Haus-haltsausschuss des Bundestages wurde im April 2003 die Grundlage für dieUmsetzung der programmorientiertenFörderung gelegt.

Trotz der allgemeinen Stellen-reduktion im Rahmen der Grund-

finanzierung hat GKSS die Zahl derAuszubildenden erheblich gestei-gert. Sie beläuft sich z. Zt. auf über40 und wird im Jahre 2003 auf fast50 steigen. GKSS betrachtet diesals ihren aktiven Beitrag zu denAusbildungsengpässen in Deutsch-land.

Großen Wert legt GKSS auf die Weiter-und Fortbildung ihres Personals, umdie Ressource Personal möglichstoptimal einsetzen zu können.

PersonalgesamtübersichtComplete staff overview

Personalstruktur 2002Personnel structure for the year 2002


GKSS Daten und Fakten • GKSS und das Umfeld

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Kooperation mit der Wi rtschaft

Es gehört zu den GKSS-Zielen,durch Forschung und EntwicklungImpulse für Innovationsprozessezu geben und so dem Fortschritt in der Gesellschaft zu dienen. Dies lässt sich nur in engem Zu-sammenwirken mit der Wirtschafterreichen. So erstrecken sich dieBeziehungen von GKSS zu den in-dustriellen Partnern vom Dialogüber die thematische Ausrichtungder Forschungsprogramme bis hinzur Unterstützung bei der Markt-einführung von Produkten undVerfahren, die aus gemeinsamenKooperationsprojekten hervor-gegangen sind.

Hierbei beschränkt sich der GKSS-Dia-log mit der Wirtschaft nicht nur auf dieDiskussion der Forschungsstrategie imAufsichtsrat und im technisch-wissen-schaftlichen Beirat der Gesellschaft.Unternehmensvertreter arbeiten auchin Struktur- und Berufungskommissio-nen mit, die bei der Neuorientierungvon GKSS-Instituten und im Zusam-menhang mit der Neubesetzung vonLeitungspositionen eingesetzt werden.Daneben sorgen regelmäßige oder adhoc einberufene fachbezogene Ge-sprächskreise mit der Anwenderseite,wie z. B. der Industriebeirat Membran-technik, dafür, dass GKSS nicht amBedarf der Nutzer vorbei forscht.

In der projektbezogenen Zusammen-arbeit haben sich für die einzelnen Sta-dien der Entwicklung von den Grund-lagen bis zur Markteinführung unter-schiedliche Formen der Kooperationherausgebildet. Generell lässt sichsagen, dass das Engagement derIndustrie in Kooperationen um soausgeprägter ist, je mehr das Arbeits-programm auf eine konkrete Anwen-dung zielt.

Partner der GKSS in der Grundlagenfor-schung sind überwiegend Universitätenund andere Forschungseinrichtungen.Die Mitwirkung der Industrie beziehtsich hier in der Hauptsache auf diestrategische Ausrichtung der For-schungsziele. Ein Beispiel ist die Struk-turaufklärung von Legierungen mitHilfe der Kleinwinkelstreuung, unteranderem mit dem ForschungszentrumJülich, Universitäten und Max-Planck-Instituten als Nutzern.

Verbundprojekte decken in der Regelden vorwettbewerblichen Bereich abund werden im Rahmen nationaleroder europäischer Programme mitDrittmitteln gefördert. Der Anwen-dungsaspekt gewinnt hierbei zuneh-mend an Bedeutung. Dies kommt inder Beteiligung von Herstellern undAnwendern zum Ausdruck.

Das MAXWAVE-Projekt befasst sich mitder Entstehung und Ausbreitung vonso genannten Freak-Waves, die eineerhebliche Gefährdung für die Meeres-und Küstennutzung darstellen können.Neben einer Verbesserung des Grund-lagenwissens sollen aus dem Projektauch konkrete Empfehlungen fürSchiffbau- und Schifffahrt sowie anderemaritime Nutzungen abgeleitet wer-den.

Bilaterale Kooperationsprojekte zielenmeist schon auf ein konkretes Produktdes Industriepartners. Solche Projektewerden auf der Basis durchgeführt,dass beide Seiten sich an den Kostenbeteiligen und für den Erfolgsfall eineNutzungsregelung vorgesehen wird.Hier geht es oft um die Umsetzungvon Laborergebnissen in den Pilot- undDemonstrationsmaßstab.



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Die Fa. Tricumed MedizintechnikGmbH, Kiel, und GKSS entwickeln zu-sammen ein Wirbelschraubenimplan-tat, das mittels Metallpulverspritzgusshergestellt wird und zur Stabilisierunggebrochener Wirbel eingesetzt werdenkann.

Im Erfolgsfall wird die Zusammenarbeitauf der Ebene eines Lizenzvertragesfortgesetzt, wobei GKSS den Industrie-partner bis in die Phase der Marktein-führung hinein weiter beratend unter-stützt. Auf diese Weise wachsen lang-jährige, stabile Geschäftsbeziehungen,die nicht selten Grundlage für neueProjekte sind.

Das gilt insbesondere dann, wenn esim Rahmen der Lizenzbeziehung zurÜbernahme von Personal aus der For-schungseinrichtung in das Unterneh-men des Industriepartners kommt.

Beispiele:

GfE Metalle und Materialien GmbH,Nürnberg- Titanaluminid-Legierung- Wasserstoffhydridspeicher-

Technologie

GMT Membrantechnik GmbH,Rheinfelden- Membrantechnologie

Incoatec Innovative Coating GmbH- Technologie zur Herstellung von

Röntgenspiegeln

Sumitomo Chemical Engineering,Japan- Membrantechnologie

Neben der gemeinsamen Entwicklungstellen Auftragsbeziehungen eine ande-re wichtige Form der Zusammenarbeitmit der Industrie oder öffentlichen Nut-zern dar (Auftragsprojekte sind in derRegel im wettbewerbsnahen Bereichangesiedelt). Hier geht es darum, einvom Auftraggeber vorgegebenes Pflich-tenheft zu erfüllen.

Hauptcharakteristikum ist, dass dieErgebnisse allein dem Auftraggebergehören und er die Leistungen voll

bezahlt. Soweit die nachgefragtenLeistungen auch von privaten Unter-nehmen (z.B. Ingenieurbüros) angebo-ten werden, achtet GKSS darauf, dasses nicht zu ordnungspolitisch uner-wünschten Konkurrenzsituationenkommt.

Für einen namhaften deutschenMembranhersteller hat GKSS eine ge-schäumte Membran entwickelt, die zurGastrennung und zum Gasaustauschgeeignet ist und im medizinischenBereich Anwendung finden wird.

Der direkteste Weg der Umsetzung vonForschungsergebnissen in industrielleProdukte und Leistungen führt überUnternehmensgründungen durch dieForscher und Entwickler selbst. DieseForm des Transfers wird deshalb vonGKSS besonders gefördert. Die Unter-stützung kann zum Beispiel durchbefristete Nebentätigkeitsgenehmigun-gen, zeitlich befristete „Rückfahrkarten",

GKSS-Aufträge sowie die Vermietungvon Räumen und Geräten erfolgen.Seit Ende 2001 haben die ausgegrün-deten Jungunternehmen außerdemdie Möglichkeit, im Geesthachter Inno-vations- und Technologiezentrum(GITZ) auf dem GKSS-Gelände einenattraktiven und auf ihre Bedürfnissezugeschnittenen Standort zu finden.

Im Frühjahr 2003 ist die Firma Riftecgegründet worden. Sie wird Ingenieur-dienstleistungen rund um die innovati-ve Fügetechnik Friction Stir Weldinganbieten und die Technik im AuftragDritter auch in der Produktherstellungeinsetzen. Die Firma Riftec wird ihrenSitz im GITZ nehmen.

Ansprechpartner: Stabsstelle Technologietransfer Peter Stuckert Telefon: 04152/87-1713

Kooperation mit der Wirtschaft

Unterstützung bei Unternehmensgründungen

Lizenzverträge

Auftragsprojekte/Dienstleistungen

Bilaterale Kooperationsprojekte GKSS/ Industrie

Verbundforschung GKSS / Institute / Industrie

Hochschulprojekte

Grund-lagen

Labortests Prototyp

Anwendungs-orientierte Forschung

und Entwicklung

Produkt- undVerfahrensent-

wicklungMarkt-

einführung

Demo-Anlagen



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Cooperation with Industry

One of the goals of GKSS is tostimulate innovation through re-search and development and inthis way promote the progress ofsociety. This can only be achievedin close cooperation with industry.The relationship of GKSS to indus-trial partners therefore rangesfrom consultation regarding thethematic focus of research pro-grammes to support during themarket launch of products andprocesses that have emerged fromcooperative projects.

Dialogue with industry is not limited tothe discussion of research strategy inGKSS’ supervisory board and the tech-nical and scientific advisory committee.Industrial representatives also participa-te in structural and appointment com-mittees that contribute to refocusingGKSS institutes and refilling leadershippositions. In addition, regular or ad hocround-table meetings with the userside, such as the Membrane Techno-logy Industry Advisory Committee,ensure that GKSS does not conductresearch irrelevant to the needs of the users.

Project-related cooperation has takenon a variety of forms based on the in-dividual phases of development, whichrange from basic research to marketentry. As a rule, the greater the focuson specific applications, the greater theinvolvement of industry in such co-operations.

In basic research, the partners of GKSSare for the most part universities andother research institutions. Here, indus-trial collaboration relates primarily tothe strategic focus of the researchgoals. One example is the analysis ofthe structure of alloys using small-anglescattering, with the Research Centre

Jülich, universities and Max PlanckInstitutes, et al., as users.

As a rule, joint projects cover the pre-market area and are sponsored withthird-party funds within the frameworkof national or European programmes.Application is becoming increasinglyimportant here. This finds expression inthe participation of manufacturers andusers.

The MAXWAVE project is concernedwith the creation and spread of freakwaves, which can pose a serious riskregarding the use of marine or coastalresources. In addition to increasing theamount of basic knowledge in thisfield, this project will help us derivespecific recommendations for shipbuil-

ding, navigation and other maritimeapplications.

Bilateral projects usually aim at creatingspecific products for the industrial part-ners. These projects are based on ascheme whereby both sides share thecosts and provision is made for autilization arrangement in the event ofsuccess. Here it is often a matter ofimplementing laboratory results on apilot and demonstration scale.

GKSS and the Kiel-based companyTricumed Medizintechnik GmbH arejointly developing a canulated doublethreaded bone screw for stabilizingbroken vertebrae. The implant will bemanufactured using a metal powderedinjection moulding process.



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If successful, the collaboration will becontinued at the level of a licensingagreement, whereby GKSS will con-tinue to assist the industrial partner asa consultant up to and during marketlaunch. This often leads to stablebusiness relationships that can lastmany years and not infrequently formthe basis for new projects.

This is especially true when, within theframework of a licensing agreement,the industrial partner takes over per-sonnel from the research institute.

Examples:GfE Metalle und Materialien GmbH,Nuremberg

- Titanium aluminide alloy- Hydride hydrogen storage technology

GMT Membrantechnik GmbH, Rheinfelden

- Membrane technologyIncoatec Innovative Coating GmbH

- Technology for manufacturing X-ray mirrors

Sumitomo Chemical Engineering, Japan

- Membrane technology

In addition to joint development, con-tract relationships represent anotherimportant form of cooperation withindustry or with public users (contractprojects generally have close marketproximity). Here it is a matter of ful-filling specifications provided by theclient.

The principal feature of such relation-ships is that the results belong exclu-sively to the client, and he pays for theservices in full. To the extent that theservices are also offered by privatecompanies (e.g. engineering firms),GKSS sees to it that competitivesituations do not arise.

GKSS recently developed a foamedmembrane on behalf of a renownedGerman membrane manufacturer. Themembrane is suitable for separatingand exchanging gases and will be usedin medical applications.

The most direct way to turn researchresults into industrial products andservices is to enable researchers anddevelopers to establish their own com-panies. GKSS therefore places specialemphasis on this form of transfer. Sup-port comes in many forms, includinggranting approval to engage in a secon-dary occupation for a certain period oftime, permitting scientists to tempo-rarily leave the research centre whileretaining the right to return. GKSS mayalso award contracts and rent outrooms and equipment.

At the end of 2001, another means ofsupporting spin-off companies wasestablished with the founding of theGeesthacht Innovation and TechnologyCentre (GITZ) on the GKSS premises.This centre offers start-ups an attractivebusiness location tailored to theirspecific needs.

Spring 2003 saw the establishment ofthe company Riftec, which will not onlyoffer engineering services related tothe innovative friction stir weldingprocess but also use this technique onbehalf of third parties in production.The Riftec headquarters will be locatedin the GITZ.

Contact: Technology Transfer Department Peter Stuckert Telephone: +49 (0)4152/87-1713

Cooperation with industry

Support for start-up companies

Licensing contracts

Commissioned projects/services

Bilateral cooperative projectsbetween GKSS and industry partners

Joint research by GKSS, other research institutes and industry partners

Projects at colleges and universities

Basics

Laboratorytests

Prototype

Application-orientedresearch and development

Product andprocess

development

Market launches

Demonstrationfacilities



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D r i t t m i t te l p r o j e k te

GKSS hat ihre Bemühungen, Förder-mittel für Projekte im Rahmen von na-tionalen und europäischen Forschungs-programmen einzuwerben, in den letz-ten Jahren deutlich intensiviert. Dabeisind die mit der Akquisition von Dritt-mittelprojekten beabsichtigten Zielemehrschichtig:

Durch die Beteiligung an Drittmittelpro-jekten bringt GKSS ihre wissenschaft-lich-technische Kompetenz bei der Lö-sung gesellschaftlicher und forschungs-relevanter Probleme ein – sowohl aufnationaler, als auch auf europäischerEbene. Dadurch erweitert GKSS zu-gleich auch die Möglichkeiten zum wei-teren Auf- und Ausbau dieser Kompe-tenz. Dies ist eine wichtige Vorausset-zung, um auch zukünftig als Innovati-onspartner für die Wirtschaft attraktivzu sein. Außerdem tragen angesichtseiner sinkenden GrundfinanzierungDrittmittelprojekte in zunehmendemMaße zur Realisierung des geplantenFuE-Programms bei.

Auch die Tatsache, dass diese Förder-mittel im Wettbewerb vergeben wer-den, hilft GKSS, sich bei Partnern zuprofilieren und gegenüber internationa-len Wettbewerbern zu positionieren.Da viele dieser Programme die Beteili-gung von Unternehmen (Herstellernbzw. Anwendern) an den entsprechen-den Projektvorschlägen voraussetzen,wird jeder positive Bescheid gleichzei-tig zu einem Kompetenznachweis ge-genüber den jeweiligen Industriepart-nern von GKSS.

Ein weiteres Ziel der Beteiligung vonGKSS an Drittmittelprojekten ist die In-tensivierung bestehender bzw. der Auf-bau neuer Kundenbeziehungen zu Un-ternehmen und Institutionen, mit de-nen zuvor nur eine lose oder noch kei-ne Zusammenarbeit bestand. Soschafft die erfolgreiche Durchführungvon Drittmittelprojekten das notwendi-ge Vertrauen in die Leistungsfähigkeit

von GKSS und bildet die Basis für lang-fristige, bilaterale Kundenbeziehungen.

Der Weg, eine Projektidee zu einemeinreichungsfähigen Projektantrag aus-zugestalten, ist eine schwierige undzeitaufwändige Aufgabe. Eine Fülle voninhaltlichen und formalen Anforderun-gen ist dabei zu beachten, die insbe-sondere im Bereich EU-Projekte mitdem 6. Forschungsrahmenprogrammweiter gewachsen sind. Die Hauptlastbei der Erstellung der Antragsunterla-gen tragen die Wissenschaftler. DieAufgabe der Verwaltung ist es, sie hier-bei bestmöglich zu unterstützen. FürEU-Projekte hat GKSS zu diesemZweck eine eigene Stabsabteilung ‘Eu-ropäische und Internationale Projekte’geschaffen, die die Wissenschaftlerdurch gezielte Informationen über dieFörderprogramme, durch Koordinationder internen Abstimmungsprozesseund durch umfassende Beratung unter

Nutzung eines Netzwerkes von Kontak-ten in allen Phasen der Antragsstellungund der Projektabwicklung unterstützt.

Dass sich die Anstrengungen der GKSSgelohnt haben, lässt sich an der über-durchschnittlichen Bewilligungsquotevon gestellten EU-Anträgen und an stei-genden Drittmitteleinnahmen ablesen:Die Quote lag sowohl im 4. als auchim 5. Forschungsrahmenprogramm imMittel über 30 %. Im 5. Forschungsrah-menprogramm (FP5) hat GKSS mehrals 50 EU-Projekte (davon mehr als 10als Koordinator) eingeworben. Die jähr-liche Steigerung der Fördermittel liegtim Mittel über dem Zeitraum des 4.und 5. Rahmenprogramms bei 15 %.

Ansprechpartner:Stabsstelle Europäische und Internationale ProjekteDr. Hans-Jörg IsemerTelefon: 04152/87-1661



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E x ternally Funded Projects

In recent years, GKSS has significantlyincreased its efforts to acquire fundingfor projects within the framework ofnational and European research pro-grammes. This pursuit of externallyfunded projects is being undertakenwith several goals in mind:

By participating in externally fundedprojects, GKSS contributes its scientificand technical expertise to the solutionof social and research-related problems— on both the national and the Euro-pean levels. In doing so, GKSS simulta-neously increases its opportunities tobuild and extend this expertise. This isan important prerequisite for remainingattractive to the business communityas a partner for innovation. Moreover,in light of the declining level of institu-tional funding, externally funded pro-jects are making a growing contributionto the realization of the planned R&Dprogramme.

The fact that these funds are allocatedcompetitively also helps GKSS make itsmark among partners and position its-elf with respect to international compe-titors. Since companies (manufacturersor users) participate in the project pro-posals for many of these programmes,each favourable decision simulta-neously becomes a validation of thecompetence of GKSS for its commerci-al partners.

Another aim that GKSS pursuesthrough its participation in externallyfunded projects is to strengthen exi-sting customer relationships or to esta-blish new ones with companies and in-stitutions with which there was pre-viously only informal cooperation, ornone at all. Successful completion ofexternally funded projects creates con-fidence in the capabilities of GKSS andforms the basis for long-term bilateralcustomer relations.

The process of developing a projectidea into a project proposal that is fitfor submission is a difficult and time-consuming task. There is a multitude ofrequirements to fulfil, in terms of bothform and content, and in the field ofEU projects, the Sixth Framework Pro-gramme has created even more. Thescientists bear most of the burden ofdrawing up the application documents,and the administration’s task is to pro-vide them with the best support possi-ble in this process. To this end, GKSShas created its own department for EUprojects, the Staff Office for Europeanand International Projects. From sub-mitting applications to carrying out pro-jects, this department supports scien-tists at every stage by providing specificinformation about the funding pro-grammes, by coordinating the internaldecision-making processes and by gi-ving comprehensive advice through anetwork of contacts.

The success of the GKSS is reflected inthe above-average approval rate for itsEU applications and in the increasingamount of third-party revenues: Onaverage, the rate was over 30 percentin both the 4th and 5th ResearchFramework Programmes. In the 5th -Research Framework Programme(FP5), GKSS took in more than 50 EUprojects (more than ten of them ascoordinator). The average annual in-crease in funding during the period ofthe 4th and 5th Research FrameworkProgrammes was 15 percent.

Contact:Staff Office for European and International ProjectsDr. Hans-Jörg IsemerTelephone: +49 (0)4152/87-1661



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Wissenschaftliche Ve r ö f f e n t l i c h u n g e n

Wie andere Forschungseinrichtungenhat auch GKSS ein originäres Interesse,ausgewählte Ergebnisse der wissen-schaftlich-technischen Arbeiten zu ver-öffentlichen. Als Forschungszentrumder HGF, das von Bund und Länderngetragen wird, haben wir dazu eineVerpflichtung. Diesen Auftrag erfülltGKSS zielgerichtet auf unterschiedli-chen Wegen, um sowohl das wissen-schaftliche Umfeld als auch die interes-sierte Öffentlichkeit zu informieren.

Publiziert wird in wissenschaftlichenZeitschriften, Tagungsbänden, Büchern,in Form von Patenten und in wissen-

schaftlich-technischen Berichten, dieim Haus erstellt und kostenlos bezo-gen werden können. Die Publikationender Mitarbeiter seit 1988 weist eineDatenbank nach, die über dieHomepage angewählt werden kann.

Ansprechpartner:Bibliothek – Zusendung technisch-wissenschaftlicher Berichte Brigitte EisenschmidtTelefon: 04152/87-1691E-Mail: [email protected]

H o c h s c h u l z u s a m m e n a r b e i t

Die Kooperation mit Hochschulen istein unverzichtbares strategischesElement für ein Forschungszentrumder Helmholtz-Gemeinschaft. Diesesgilt es zu stärken, die Vernetzung derForschung an Universitäten und Fach-hochschulen mit der außer-universitären Forschung voran zu trei-ben und auch neue Formen der Zu-sammenarbeit zu entwickeln.

Schon bisher stellen Hochschulen nichtnur das Potenzial der Nachwuchswis-senschaftler, sie sind gleichermaßenPartner in gemeinsamen Projekten undliefern eine wichtige Ergänzung imRahmen einer interdisziplinären Zu-sammenarbeit. Sonderforschungsberei-che der Deutschen Forschungsgemein-schaft (DFG) wurden in allen drei For-schungsschwerpunkten in enger Ko-operation mit den Hochschulen initiiert.

Eine wesentliche Komponente stelltdas Zusammenwirken im personellenBereich dar. Gemeinsame Be-rufungsverfahren zur Besetzung der

wissenschaftlichen Leitungspositionenin den Instituten fördern die wissen-schaftliche Zusammenarbeit und si-chern die fachliche Qualität. So sindalle Neubesetzungen der Leitungsfunk-tion in den letzten Jahren in gemeinsa-men Verfahren mit Universitäten durch-geführt worden. Weitere gemeinsameBerufungen mit der Universität Hanno-ver, der Christian-Albrechts-Universitätzu Kiel, der Universität Potsdam wer-den z. Zt. vorangetrieben.

GKSS fördert die wissenschaftlicheQualifikation seiner Mitarbeiter ins-besondere dadurch, dass Freiräumezur Habilitation eingeräumt werden.Dies kann nur in sehr enger undvertrauensvoller Kooperation mit denbeteiligten Hochschulen gelingen. Ander Universität Hamburg, FachrichtungChemie, konnte eine weitere Habilita-tion erfolgreich beendet werden. Ge-meinsame fachbezogene Seminare,Vorträge und Tagungen tragen wesent-lich zum Austausch von Forschungser-gebnissen zwischen Hochschulen und

GKSS bei. Regelmäßig werden dieGKSS-Programmschwerpunkte im Rah-men der Erfolgskontrolle von externenGutachtergremien, zu denen auch Wis-senschaftler aus den Hochschulengehören, untersucht und beurteilt.

GKSS leistet seinen Beitrag zurAusbildung von Studenten. Wissen-schaftler halten in den verschiedenenUniversitäten der Region Grund- undSpezialvorlesungen, bieten Praktika anund beteiligen sich an der Gestaltungneuer Studiengänge. Diplomandenund Doktoranden erarbeiten an denGKSS-Instituten ihre Diplomarbeitenund Dissertationen in enger Zusam-menarbeit mit den Hochschulen.

Ansprechpartner:Planungs- und KoordinierungsstabDr. Joachim Krohn Telefon: 04152/87-1665



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Scientific Publications

Like other research institutes, GKSS hasa vested interest in publishing selectedresults of its scientific and technicalresearch. In fact, it is even obligated todo so, as it is an HGF research centrefunded by the German federal govern-ment and state governments. GKSSfulfills this task in various ways so thatinformation is provided not only to thescientific community, but to the generalpublic as well.

GKSS publishes in scientific journals,conference transcripts and books, andalso makes its findings available in theform of patent documentation and

scientific and technical reports that areprepared at the research centre andcan be ordered free of charge. A data-base listing the publications of thecentrer’s employees since 1988 canbe accessed from the GKSS website.

Contact:Library – Submittal of Technical and Scientific Reports Brigitte EisenschmidtTelephone: +49 (0)4152/87-1691e-mail: [email protected]

Cooperation with Universities

Cooperation with universities is a keyelement of strategy at all HGF researchcentres. The aim is to intensify suchpartnership, promote interaction bet-ween university- and non-university re-search, and develop new forms ofcollaboration.

Universities have always been a majorsource of new research talent. At thesame time, they collaborate on jointprojects and provide important supple-mentary expertise for interdisciplinarywork. Specialised projects at the Deut-sche Forschungsgemeinschaft (DFG)have been launched in close coopera-tion with universities in all three of themain research areas at GKSS.

An important aspect of the cooperationwith universities is collaboration on ap-pointments, as the use of a jointly con-ducted process to fill senior academicpositions at the institutes helps pro-mote scientific cooperation and ensureshigh research standards. As a result, allthe new appointments to senior posi-

tions over the last few years have beenmade as joint appointments with uni-versities. Further joint appointments arecurrently being prepared with the Uni-versity of Hanover, the Christian Alb-rechts University of Kiel and the Univer-sity of Potsdam.

One of the key ways in which GKSSpromotes the development of its em-ployees is by providing them with anopportunity to gain a post-doctoralqualification. This can only be achievedon the basis of very close cooperationwith universities. At the Chemistry De-partment of the University of Hamburg,for example, a GKSS employee hassuccessfully completed the ”Habilitati-on”.

Another way in which GKSS and uni-versities collaborate is by jointly organi-sing specialist seminars, lectures andconferences, which do much to facili-tate the exchange of research resultsbetween the centre and the universitysector. In line with monitoring proce-

dures, the areas of research at GKSSare regularly examined and rated byexternal assessment organizations,which also include university scientists.

GKSS also makes a significant contribu-tion to instructing university students.For example, GKSS scientists give bothbasic and specialised lectures at theuniversities in the region. Moreover,they provide students with placementsand help devise new study program-mes. In addition, graduate and post-graduate students are able to completetheses and dissertations at GKSS insti-tutes in close cooperation with theiruniversity.

Contact:Planning and Coordination TeamDr. Joachim Krohn Telephone: +49 (0)4152/87-1665



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Te c h n o l o gietransfer – Vermarktung von Fo r s c h u n g s l e i s t u n g e nDie Abteilung Technologietransferist innerhalb der GKSS eine Schnitt-stelle zur Wirtschaft, die die Auf-gabe hat, die Vermarktung der For-schungsergebnisse anzuregen undzu unterstützen. Sie versteht sichals Berater und Helfer für die For-scher des Zentrums in Verwer-tungsfragen. Gleichzeitig ist sieAnsprechpartner für Interessentenund Kunden aus der Wirtschaft,die neue technische Lösungen su-chen, um ihre Wettbewerbsfähig-keit zu erhalten oder zu verbessern.

Die Rolle des Technologietransfersbeschränkt sich dabei nicht auf dieVermittlung von Kontakten zwischenForschern und Unternehmen. Vielmehrversucht die Transferstelle zusammenmit den Wissenschaftlern Transferchan-cen für GKSS-Entwicklungen und Erfin-dungen zu identifizieren und zu nutzen.

Der konkrete Transfer der Forschungs-ergebnisse in den Wirtschaftskreislaufkann auf verschiedene Art und Weiseerfolgen, wie zum Beispiel durch Ko-operationsvorhaben, Auftragsforschungoder die Vergabe von Lizenzen. Einweiteres wichtiges Instrument ist dieUnterstützung von technologieorientier-ten Ausgründungen von Unternehmen.

Seit 1992 wurden 18 Unternehmenaus dem Forschungszentrum herausgegründet. Davon haben sich 12 aufdem Gelände der GKSS angesiedelt.

Um diesen Ansiedlungen einen zen-tralen Standort anbieten zu können,der den spezifischen Ansprüchen derjungen Unternehmen in besondererWeise entgegenkommen kann, ist imSeptember 2001 das GeesthachterInnovations- und Technologiezentrum(GITZ) auf dem Gelände der GKSSeröffnet worden.

Zusammenfassend lassen sich die Akti-vitäten und Arbeiten der AbteilungTechnologietransfer wie folgt darstellen:

• Identifizierung von verwertbarenGKSS-Entwicklungen,

• Sicherung von Schutzrechten,Beratung von Erfindern,

• Vorbereitung und Verbreitung von Transferangeboten,

• Hilfe bei der Partnersuche und bei Verhandlungen mit Kooperations-, Projektpartnern und Lizenzinteressenten,

• Koordinierung von Abstimmungs-prozessen im Zusammenhang mit externen Anfragen aller Art und angebotsbezogenen Initiativen aus dem Zentrum,

• Ausbau des Netzes von persön-lichen Kontakten zu Stellen undOrganisationen, die die wissen-schaftliche Zusammenarbeit und den Technologietransfer inDeutschland und Europa fördern,

• Initiierung von transferbezogenenVeranstaltungen,

• Darstellen und Bekanntmachen der Transferleistungen des Zentrums (z. B. Herausgabe des Innovationsberichtes).

Um den Bekanntheitsgrad des For-schungszentrums bei Entscheidungs-trägern in der Wirtschaft zu steigern,hat sich GKSS zusammen mit FZJ, FZKund DLR bei der Entwicklung und Ein-richtung der neuen InternetplattformHelmholtz-Experten.de engagiert.Inzwischen haben sich weitere Helm-holtz-Zentren in das vom BMBF ge-förderte Projekt eingebracht. Über dieneue Website besteht ein direkter Zu-gang zu Experten der Forschungszen-tren der Helmholtz-Gemeinschaft, diesich auf ihren jeweiligen Fachgebietenals kompetente Kooperationspartnerder Wirtschaft ausgewiesen haben.Helmholtz-Experten.de wurde auf derHannover-Messe 2003 für die inte-ressierte Öffentlichkeit freigeschaltet.

Die Lizenz- und Know-how-Einnahmen,die GKSS aus ihren Vermarktungsaktivi-täten erzielt, fließen in einen Fonds,aus dem neue Transfermaßnahmenund -projekte finanziert werden kön-nen. Die Fondsmittel werden überwie-gend für die Finanzierung von Personal-kosten eingesetzt und fließen zum Teilin die Forschungsbereiche der GKSSzurück, aus deren Transferaktivitätendie Erlöse stammen.

Weitere Informationen:www.gkss.de/technologietransfer

Ansprechpartner:TechnologietransferClaas-Hinrich SchröderTelefon: 04152/87-1685



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Te c h n o l o gy Transfer – Marketing Research ResultsThe Technology Transfer depart-ment at GKSS serves as an inter-face to the business communityand is responsible for initiatingand promoting the marketing ofresearch results. The departmentprovides the scientists at the cen-tre with assistance and advice onall issues related to the utilisationof research results. In addition, itserves as a point of contact forcustomers and other interestedparties from the business commu-nity who are looking for new tech-nical solutions in order to retain orimprove their competitiveness.

The role of the Technology Transfer de-partment is not limited to facilitatingcontacts between researchers and pri-vate companies; its primary aim is tocooperate with scientists in identifyingand exploiting opportunities for trans-forming GKSS’ inventions and deve-lopments into concrete applications.

Research results can be transferredinto the business arena by variousmeans, including cooperative projects,contracted research and the granting oflicences. A further important task of thedepartment is to assist scientists inte-rested in founding technology-orientedstart-ups.

As a result, the research centre hasproduced 18 spin-off companies since1992, 12 of which are based on the

premises at GKSS. To provide thesecompanies with a central location thatmeets the specific requirements ofstart-ups, the Geesthacht Innovationand Technology Centre (GITZ) wasopened on the GKSS site in Septem-ber 2001.

The Technology Transfer department’stasks and activities can be summarizedas follows:

• Identifying GKSS developments withpotential for commercial exploitation

• Securing patent rights and advisingthe inventors

• Preparing and distributing proposalsfor technology transfer

• Help in identifying and negotiatingwith potential cooperation and pro-ject partners as well as those inte-rested in taking out licenses

• Coordinating the internal processesrequired to provide replies to exter-nal queries of all kinds and to puttogether a concrete initiative inresponse to an offer from outsidethe institute

• Creating a network of persona con-tacts to departments and organiza-tions concerned with promotingscientific cooperation and technologytransfer within Germany and Europe

• Organizing events with a focus ontechnology transfer

• Presenting and publicisingtechnology transfer activities at GKSS(e.g. publication of Innovation Report).

In order to make business decision-makers more aware of the researchcentre, GKSS has joined forces withFZJ, FZK and DLR to develop and setup the new Internet platform Helm-holtz-Experten.de. Additional Helmholtzcentres are now supporting the Inter-net platform as well, which is spon-sored by the German Ministry of Edu-cation and Research. The new websiteenables visitors to contact experts atHelmholtz Association research cent-res, who serve as skilled partners forthe business community in their res-pective disciplines. The public launchof Helmholtz-Experten.de took place atthe Hannover Messe in 2003.

All the revenues generated through thelicensing and marketing of GKSS know-how flow into a fund designed to fi-nance future technology transfer pro-jects. A large portion of the revenues isspent on labour costs and thus finds itsway back into the research depart-ments at GKSS that were originallyresponsible for generating the income.

Further information:www.gkss.de/technologietransfer

Contact:Technology Transfer DepartmentClaas-Hinrich SchröderTelephone: +49 (0)4152/87-1685


GKSS Daten und Fakten • Schülerlabor

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Das Schülerlabor Quantensprungist eine Initiative des GKSS-For-schungszentrums. Junge Schülerin-nen und Schüler, vorzugsweise der9. und 10. Klassen, können hiereinen Tag unter qualifizierter An-leitung experimentieren und einenkleinen Einblick in den wissen-schaftlichen „Alltag“ gewinnen.

Das GKSS-Schülerlabor wurde in denRäumlichkeiten des Geesthachter Inno-vations- und Technologiezentrums(GITZ) eingerichtet und im Januar2002 in Betrieb genommen. Auf insge-samt 130 m2 Laborfläche stehen 30Laborplätze für physikalische und che-mische Experimente bereit. DasSchülerlabor konnte mit finanziellerUnterstützung der Hamburger Schul-behörde, dem Ministerium für Bildung,Wissenschaft, Forschung und Kulturund der Technologiestiftung Schleswig-Holstein sowie einiger Sponsoren derWirtschaft zügig realisiert werden. Inzwi-schen waren über 3000 Schüler allerSchularten, verschiedener Altersgrup-pen und hauptsächlich aus den Bun-desländern Schleswig-Holstein, Ham-burg, Niedersachsen und Mecklenburg-Vorpommern im Labor zu Gast.

Durch zusätzliche Fördergelder ausdem Impuls- und Vernetzungsfond derHGF wurde im Oktober 2002 einezweite Stelle für das Schülerlabor ge-schaffen. Nun werden die Schülerin-nen und Schüler nicht nur unter Lei-tung eines Pädagogen mit dem Thema„Stromerzeugung“ vertraut gemacht.Ein Chemiker, der bis dahin am Institutfür Chemie in der Membranentwick-lung tätig war, stellt jetzt die Verbindun-gen zur chemischen Seite der Stromer-zeugung in der Brennstoffzelle her undgibt Einblicke in den Forschungsalltag.

An so einem Experimentiertag imSchülerlabor geht es um Strom aus

dem Generator und dem Fahrraddyna-mo genauso wie um Strom aus Sonne,Wind und Wasser, Strom aus galvani-schen Elementen bis hin zu Strom auseiner „Apfelbatterie“.

Bei der Brennstoffzelle und den Spei-cherungsmöglichkeiten von Wasser-stoff wird ein unmittelbarer Bezug zuden GKSS-Forschungen hergestellt. Umeinen Einblick in das Arbeitsfeld zu be-kommen, werden kurze Besichtigungs-gänge in verschiedene Labors undWissenschaftsbereiche durchgeführt.

Unsere Initiative steht im engen Zu-sammenhang mit der bundesweitenAktion „Wissenschaft im Dialog“, an dersich gemeinsam mit dem Stifterver-band für die Deutsche Wissenschaftdie großen deutschen Forschungsein-

richtungen beteiligen. Diese habensich zum Ziel gesetzt, die Kommuni-kation zwischen Wissenschaft und Öf-fentlichkeit – insbesondere mit Schüle-rinnen und Schülern – zu fördern. Dasbedeutet, Wissenschaft als kostbaresund zu pflegendes Kulturgut stärker indas Bewusstsein zu bringen. Das sollhier in einem Schülerlabor umgesetztwerden, in dem sich die Schüler aufexperimentellem Wege den Naturwis-senschaften nähern können. Sie sollenerkennen, dass Physik und ChemieNaturwissenschaften sind, die sehr vielmit dem täglichen Leben zu tun habenund durchaus interessant und span-nend sein können.

Ansprechpartner:Michael BuchsteinerTelefon: 04152/87-1631

Wenige Monate nach der Eröffnung wurde bereits der tausendste Schüler im Labor begrüßt. Inzwischen ist es bereits mehrere Monate im Voraus ausgebucht.

The 1,000th student was welcomed at the laboratory only a few months after it was opened, and the lab is now booked up months in advance.

Q u a n tensprung – das Schülerlabor von GKSS


GKSS Facts and Figures • School-Lab

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The Quantum Leap laboratory forschools is a GKSS Research Centreinitiative. Here young students,preferably in their ninth or tenthschool year, can spend a day per-forming experiments under quali-fied supervision and gain some in-sight into the day-to-day workingsof science.

The GKSS laboratory for schools wasset up on the premises of the Geest-hacht Innovation and TechnologyCentre (GITZ) and opened in January2002. The laboratory covers 130 m2

and has 30 laboratory workplaces forphysics and chemistry experiments.Financial support from the HamburgEducation Authority, the TechnologyFoundation and the Ministry of Scienceand Education of Schleswig-Holsteinand several corporate sponsors made itpossible to realize the educational labquickly. Exactly one year after the ope-ning, it welcomed the 2,000th student.The lab has now hosted over 2,500students from all types of schools anda variety of age groups, most of themfrom the German states of Schleswig-Holstein, Hamburg, Lower Saxony andMecklenburg-Western Pomerania.

Additional funding provided by themomentum and networking fund of theHermann von Helmholtz Association ofNational Research Centres (HGF) madeit possible to create a second site for theeducational lab in October 20 0 2 .Students now learn about the subject of “electricity generation” under the super-

vision of a teacher. On top of that, achemist who previously worked inmembrane development at the Instituteof Chemistry now instructs them aboutthe chemical side of electricity genera-tion in the fuel cell and provides insightsinto the day-to-day routine of research.

One such day of experiments in theeducational lab deals with electricityfrom a generator and a bicycle dyna-mo; electricity from the sun, wind andwater; electricity from voltaic cells andeven electricity from an “apple battery”.When it comes to the fuel cell andhydrogen storage, a direct connectionis established to the GKSS research. In order to convey an insight into thisfield of work, short tours are conductedthrough various labs and science areas.

Our initiative is closely allied with thenational Science in Dialogue campaign,in which Germany's main researchorganizations are acting in concert withthe Donors’ Association for the Promo-tion of the Sciences in Germany. These organizations’ goal is to promotecommunication between the scientificcommunity and the public — especiallyelementary and secondary-school

students. That means making peoplemore aware of science as a valuablecultural asset that must be fostered.The aim is to put this into practice herein an educational laboratory in whichthe students can approach the naturalsciences of physics and chemistry froman experimental point of view. They areexpected to recognize that physics andchemistry are natural sciences that have a great deal to do with everydaylife, and that they really can be quiteinteresting and exciting.

In their evaluations, the studentsalways indicate that the most importantaspect for them is the opportunity todo independent experimentation. Thisillustrates the great importance ofstudent experiments, which for a va-riety of reasons often receive too littleemphasis in schools, unfortunately. At our educational lab, that can beredressed to some extent.

Contact:Michael BuchsteinerTelephone: +49 (0)4152/87-1631

„ Q u a n tensprung“ - the Laboratory for Schools at GKSS

Bei der Brennstoffzelle und den Speicherungsmög-lichkeiten von Wasserstoff wird ein unmittelbarerBezug zu den GKSS-Forschungen hergestellt.

When it comes to the fuel cell and hydrogenstorage, a direct connection is established to theGKSS research.


GKSS Daten und Fakten • GKSS und das Umfeld / Impressum

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Ö f f e n t l i c h k e i t s a r b e i t

Wissenschaftliche Ergebnisse sowieneueste Entwicklungen und Hinter-grundinformationen für die Öffentlich-keit transparent zu machen, ist eineder Aufgaben der Presse- und Öffent-lichkeitsarbeit. Von der Bevölkerungwird eine anwendungsorientierte wis-senschaftliche Forschung nur dann ver-standen und akzeptiert, wenn sie voneinem steten und verständlichen Infor-mationsfluss begleitet wird. Pressemit-teilungen, Pressekonferenzen, Radio-und Fernsehbeiträge sowie Veranstal-tungen für die Bevölkerung werdenvon GKSS zur Information eingesetzt.Ein besonderer Schwerpunkt liegt da-bei in der regional bezogenen Arbeit.Informationsveranstaltungen für beson-dere Zielgruppen, „Tage der offenenTür“, Gruppenbesichtigungen fürSchüler und Studenten, Teilnahme anregionalen Ausstellungen und Präsen-tationen, die GKSS-Jahrestagung, aberauch Kunstausstellungen und Konzertesind nur einige Beispiele für regionale

Aktivitäten. Der Jahresbericht, Bro-schüren zu einzelnen Forschungs-schwerpunkten und Projektfeldern,Kurzinformationen zu besonderen Ver-anstaltungen, Filmmaterial, aber auchInformationen über die Großforschungin Deutschland werden kostenlos ab-gegeben.

In 2002 machten sich über 3.000Besucher mit den Forschungsarbeitenvertraut und diskutierten mit den Wis-senschaftlern und Technikern.Jugendliche der Stiftung „Jugendforscht“ nutzten die GKSS-Einrichtun-gen, Leistungskurse der benachbartenSchulen führten Projekttage durch, undStudenten informierten sich über Be-rufsbilder und -chancen. Innovativ-kreative Forschungsarbeit ent-wickelt sich besonders dann, wenn die-se mit einem „Wir-Gefühl” und derIdentifikation mit der täglichen Arbeitim Einklag steht: „corporate identity“.Die innerbetriebliche Kommunikation

hat für GKSS einen großen Stellenwert,quasi eine Öffentlichkeitsarbeit für dieMitarbeiter. Das Mitarbeitermagazin„UNTER UNS“-, aktuelle Informationenüber schwarze Bretter, electronic mai-ling über Netzwerk, besondere Veran-staltungen, Einweihungen und Ehrun-gen: Die Palette der Mitarbeiter-informationen ist breit gefächert.

Die Zukunft von GKSS sowie die Ak-zeptanz der Arbeiten und Ergebnisse inder Bevölkerung stehen in engem Zu-sammenhang mit unserer Dialogbereit-schaft. Wir arbeiten daher aktiv an derKommunikation mit unserem Umfeld und freuen uns über das Interesse anunserer Arbeit: Wir informieren gern.

Ansprechpartner:Presse- und ÖffentlichkeitsarbeitDipl.-BetriebswirtHans-Friedrich ChristiansenTelefon: 04152/87-1677

One of the major tasks of public rela-tions at GKSS is to provide informationon the scientific results and all the la-test developments from the institutes,as well as any relevant background in-formation. The public at large can onlyreally understand and accept appliedscientific research if it is accompaniedby a constant flow of clearly understan-dable information. GKSS thereforemakes generous use of press releases,press conferences, radio and TVreports and special events for thepublic. At the same time, particular em-phasis is given to events with a specifi-cally regional focus. Examples hereinclude events for specifically targetedgroups, open-house days, tours forschool groups and college students,participation in regional exhibitions andpresentations, the GKSS annual confe-rence, art exhibitions and concerts. In

addition, GKSS produces, free ofcharge, an annual report as well asbrochures on individual research pro-grammes and projects, leaflets onspecial events, film footage, and infor-mation on major research projects inGermany.

Last year, more than 3,000 visitorscame to GKSS to take a closer look atvarious research projects and discussthem with scientists and technicians.Moreover, those involved in the “Ju-gend forscht” (Young Researchers) pro-gramme were able to use the facilitiesat GKSS, while neighboring schoolsheld special project days at the instituteand students had an opportunity tofind out about careers and job oppor-tunities.

More often than not, innovative andcreative research is produced in an en-vironment where there is a powerfulteam spirit and a strong sense of iden-

tification with daily activities. As such,in-house communications-in a sense,PR for the employees-have a high prio-rity at GKSS. Every effort is made to in-form the employees via, for example,the employee magazine "UNTERUNS,” e-mails, and notices posted onblackboards. In addition, the GKSSstages a number of special events,openings and award ceremonies.

The future of GKSS and the acceptanceof its work and results depend verymuch on our willingness to conduct adialogue with the public at large. Wetherefore work hard on communicatingwith the world around us and are de-lighted when people take an interest inour activities. Indeed, we’re only toohappy to inform.

Contact:Public Relations DepartmentHans-Friedrich ChristiansenTelephone: +49 (0)4152/87-1677

Public Relations


GKSS Facts and Figures • External Interactions / Imprint

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Impressum • I m p r i n t

Herausgeber: GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbHMax-Planck-Straße 1 • D-21502 Geesthacht

Redaktion: Oliver Goers (verantwortlich)Autoren Seite

A. Lendlein, S. Kelch 16A. Cornec 18D. Letzig, J. Göken 21E. Zorita-Calvo 24H.-T. Mengelkamp 27A. Lendlein 30R. Willumeit 32

Fotos/Grafiken: Context Werbeagentur, Geesthacht Titelseitemnemo Science GmbH, Aachen 16, 17Volkswagen AG, Wolfsburg 22, 23St. Sokalski 27Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Köln 29C. Geisler, Wohltorf 16, 17, 19, 21, 24, 27, 30, 31,

32, 40, 41, 68, 69, 70, 71 GKSS-Forschungszentrum alle Übrigen

Layout & Satz: Context Werbeagentur, GeesthachtLithografie: E. + B., Gesellschaft für Mediendienstleistungen mbH, LüneburgDruck: Druckerei Albert Nienstedt GmbH, Hamburg

ISSN 1430 - 7278 Gedruckt auf umweltfreundlichem, chlorfrei gebleichtem Papier


Adressen • Addresses

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Lageplan Geesthacht • S i te Map Geesthacht

Lageplan Teltow • S i te Map Te l t o w

GKSS-Institut für Chemie, Standort TeltowKantstraße 55 • D-14513 Teltow-Seehof • Telefon: 03328/352 450 • Telefax: 03328/352 452

GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbHMax-Planck-Straße 1 • D-21502 Geesthacht • Telefon: 04152/87-0 • Telefax: 04152/87-1403


Jahresbericht 2003

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