Fokusthema – Forschungsinfrastrukturen

Gemeinsam wissenschaftliche Grenzen überwinden

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Das CERN ist das grösste Forschungszentrum für Teilchenphysik weltweit. Es befasst sich mit der Frage nach Herkunft und Art der Grundbausteine der Materie sowie nach den sie zusammenhaltenden Kräften.
Bild: Teilchendedektor ATLAS, Bild: CERN

Der Zugang zu exzellenten Infrastrukturen hat eine hohe Bedeutung für Forschende an Hochschulen und in Forschungseinrichtungen, aber auch für innovative Unternehmen. Für Forschungsinfrastrukturen von nationaler und internationaler Bedeutung mit hohem Koordinationsbedarf, wie das Europäische Laboratorium für Teilchenphysik (CERN) in Genf, ist eine umfassende Planung daher unabdingbar. Im April 2019 hat der Bundesrat die Schweizer Roadmap für Forschungsinfrastrukturen 2019 des Staatssekretariats für Bildung, Forschung und Innovation (SBFI) zur Kenntnis genommen.

Um die Grenzen unserer wissenschaftlichen Kenntnisse des unendlich Grossen, unendlich Kleinen oder unendlich Schnellen immer weiter zu versetzen, sind wir immer auf leistungsfähigere und komplexere Instrumente angewiesen. In zahlreichen Fachbereichen lassen sich nur dank Forschungsinfrastrukturen Antworten auf grundlegende Fragen finden und neue Probleme angehen. Auch für die Weiterentwicklung bestehender Methoden oder die Erschliessung neuer Gebiete spielen diese Infrastrukturen eine wichtige Rolle.

Theoretische Erkenntnisse praktisch beweisen
Die Bedeutung von Forschungsinfrastrukturen zeigt sich beispielsweise am CERN. Im Jahr 2012 hat das menschliche Wissen einen grossen Sprung gemacht: Mit dem Nachweis des «Higgs-Teilchens» liess sich die Hypothese vom Ursprung der Masse im Universum bestätigen. Die Bedeutung dieser Entdeckung steht ausser Frage und wurde 2013 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Der erfolgreichen Entdeckung des «Higgs-Teilchens» ging ein langjähriger Prozess in mehreren Etappen voraus. Von den Theoretikern, die in den 1960er-Jahren Modelle des Universums entwickelten, stellten einige die Hypothese eines solchen Teilchens auf und sagten dessen Eigenschaften voraus. Unter ihnen auch Peter Higgs, dem für die Entwicklung seiner Theorie ein Lebensstandard als Hochschulprofessor, eine gut ausgestattete wissenschaftliche Bibliothek und der Austausch mit Kolleginnen und Kollegen ausreichten.

In dieser ersten Etappe der Entdeckung waren nur wenige Mittel erforderlich. Mit dem Aufstellen einer Hypothese ist es allerdings nicht getan: Einzig durch empirische Beobachtungen lassen sich eine Theorie erhärten und neue wissenschaftliche Erkenntnisse gewinnen. Damit entsteht ein Ressourcenbedarf ganz anderer Grössenordnung.

Der Bau und Betrieb der Maschinen, die den Nachweis des «Higgs-Teilchens» erlaubten, erforderte eine aussergewöhnliche Zusammenarbeit zwischen den weltweit besten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern sowie Ingenieurinnen und Ingenieuren. Die Kosten für die Maschinen und das Personal eines solchen Projekts überstiegen die Kapazitäten eines einzigen Landes bei Weitem. Nach jahrzehntelangen diplomatischen Anstrengungen gelang es schliesslich, die Prioritäten in diesem Forschungsbereich auch auf zwischenstaatlicher Ebene zu koordinieren. Ausserdem brauchte es eine nachhaltige Governance, die personelle Fluktuationen und politische Veränderungen überdauern würde. Es ist daher kein Zufall, dass das CERN, die weltweit führende zwischenstaatliche Organisation für Teilchenphysik mit inzwischen 23 Mitgliedstaaten, den geeigneten institutionellen und wissenschaftlichen Rahmen für den Bau der Einrichtungen bot, die die Beobachtung des «Higgs-Teilchen» möglich machten.

Forschungsinfrastrukturen dienen unterschiedlichsten Zwecken – eine Auswahl

Forschungsinfrastrukturen als zentrale Voraussetzungen
Der Nachweis des «Higgs-Teilchens» ist nur eines von vielen Beispielen, um zu zeigen, wie zentral Forschungsinfrastrukturen für die Weiterentwicklung unseres Wissens sind. Dasselbe gilt für alle Wissenschaftsbereiche und sämtliche Etappen auf dem Weg zur Entwicklung neuen Wissens.

In den Sozialwissenschaften oder in der Bioinformatik sind es beispielsweise die Daten- und Service-Infrastrukturen, die auf komplexen Datenbanken mit sehr grossen Datenmengen basieren. Dabei werden Daten anhand von Analysen strukturiert und für die Forschung aufbereitet beziehungsweise nutzbar gemacht. In der Klimaforschung sind es zum Beispiel die örtlich verteilten Messstationen, mit denen Daten zur Klimaveränderung über längere Zeiträume erhoben und über koordinierte Netzwerke den Forschenden zugänglich gemacht werden.

All diese Forschungsinfrastrukturen basieren mittlerweile auf ausgeklügelten IT-Infrastrukturen, die Rechnerkapazitäten brauchen, um die riesigen Datenmengen in komplexen Systemen speichern und übertragen zu können. Beispielsweise generieren die verbesserten Techniken der zahlreichen Sensoren beim weltgrössten Teilchenbeschleuniger des CERN, dem Large Hadron Collider LHC, rund 1 Petabyte (1'000'000 Gigabyte GB) an Daten bei der Durchführung von Experimenten; oder pro Sekunde 6 GB Daten. Umso wichtiger ist es, solche Daten zu selektionieren, zu strukturieren und zu pflegen.

Grosses Potenzial für die Grundlagenforschung und Innovationen
Eine Forschungsinfrastruktur stellt ein ganzes System an Wissen und Innovation dar, dessen Auswirkungen sich auf die Gesellschaft entlang der gesamten Wertschöpfungskette beobachten lassen. Mit der zunehmenden Komplexität von Forschungsinfrastrukturen vervielfachen sich ihre Nutzungs- und Anwendungsbereiche. Hier besteht ein grosses Potenzial. Das CERN ist beispielsweise primär für seine Untersuchungen und sein Grundlagenwissen über Elementarteilchen bekannt. Es ist aber auch der Ort, an dem vor 30 Jahren das World Wide Web «erfunden» wurde. Dank der CERN-Grundsätze war es übrigens von Anfang an öffentlich zugänglich.

Weniger bekannt ist jedoch, dass aus den Experimenten am CERN auch Innovationen resultieren. So entstanden etwa im Bereich der Medizin neue Bildgebungsverfahren (Magnetresonanztomographie) und Therapieformen (Protonentherapie).

Auch in anderen Fachbereichen wie zum Beispiel in den Geowissenschaften entsteht neues Wissen dank Erkenntnissen aus der Grundlagenforschung. Das «European Plate Observing System» beispielsweise bedient sich eines Netzwerks spezifischer Infrastrukturen für die Beobachtung der Erdplatten. Die ständig weiterentwickelten Seismometer tragen dazu bei, das Verständnis physikalischer und chemischer Prozesse der Erde zu verbessern. Dadurch ist beispielsweise ein besserer Schutz vor Überschwemmungen oder Erdrutschen möglich.

Subsidiäre Rolle des Bundes
Mit der angewandten Forschung lassen sich potenziell Geschäftsgewinne erzielen, was in der Regel das Interesse privater Anleger weckt. Für die Grundlagenforschung gilt das nicht immer. Hier muss die öffentliche Hand die notwendigen Ressourcen aufbringen für die Weiterentwicklung der Wissenschaft von morgen, die wiederum den Weg bereitet für die angewandte Forschung von übermorgen.

Vor diesem Hintergrund finanziert die öffentliche Hand Forschungsinfrastrukturen, dank denen die Grenzen der wissenschaftlichen Kenntnisse immer weiter versetzt werden können. Wie in vielen anderen Bereichen wendet die Schweiz auch hier das Subsidiaritätsprinzip an. Im Allgemeinen finanzieren und betreiben die Forschungseinrichtungen die von ihren Forschenden benötigten Forschungsinfrastrukturen selbst. Das gilt nach Möglichkeit auch für die Beteiligung an internationalen Forschungsinfrastrukturen. Der Bund engagiert sich nur, wenn sich − wie beim CERN − Investitionen und die institutionelle Stabilität langfristig nur durch Staaten sicherstellen lassen. Der Aufbau einer Forschungsinfrastruktur setzt dementsprechend eine strategische Verankerung in den Hochschulen voraus. Auch ist in allen Fällen ein sorgfältig erarbeiteter und validierter «Business Plan» erforderlich. Dieser Bottom-up-Ansatz trägt dazu bei, dass die nationale Landschaft der Forschungsinfrastrukturen sowohl ausgewogen ist als auch den Bedürfnissen der Forschenden entspricht.

Koordination und Priorisierung
Aufgrund der begrenzten finanziellen Mittel, die dem Bund und den Kantonen als Träger der Hochschulen zur Verfügung stehen, braucht es eine frühzeitige und konsequente Priorisierung wichtiger Forschungsinfrastruktur-Vorhaben.

Der Bund hat den gesetzlichen Auftrag, seine finanziellen Mittel wirtschaftlich und wirksam zu verwenden und die wissenschaftliche Forschung und wissensbasierte Innovation zu fördern. Die Entscheide, eine nationale oder internationale Forschungsinfrastruktur aufzubauen und zu betreiben, basieren auf wissenschaftlichen Beurteilungen von internationalen Panels, fachlichen Einschätzungen von Forschergemeinschaften und – insbesondere im internationalen Bereich – auf forschungspolitischen Prioritäten im Rahmen der verfügbaren Finanzmittel.

Die Beteiligung der Schweiz an internationalen Forschungsinfrastrukturen wird von den anderen Ländern zwar geschätzt und gewünscht, sie spielt aber bei der Errichtung dieser Infrastrukturen jeweils keine entscheidende Rolle. Die finanziellen Beiträge der Schweiz hängen in der Regel davon ab, wie stark die Infrastruktur von ihren Forschenden genutzt wird, und schwanken daher je nachdem zwischen 1 und 5 Prozent des Budgets. Die Schweiz kann sich entsprechend mit relativ bescheidenen Beiträgen an einer Vielzahl von internationalen Forschungsinfrastrukturen beteiligen und ihren Forschenden und Unternehmen somit in etlichen Bereichen Zugang zu den weltbesten wissenschaftlichen Instrumenten verschaffen. Damit erreicht der Bund ein Ziel der Internationalen Strategie der Schweiz im Bereich Bildung, Forschung und Innovation (BFI), nämlich, dass Infrastrukturen, Programme und Dienstleistungen im Ausland Schweizer BFI-Akteuren offenstehen und ihnen zur Sicherung und Steigerung der Qualität ihrer eigenen Leistungen dienen. Auch stellt der Bund dadurch sicher, dass Schweizer Unternehmen privilegierten Zugang zu einem Markt haben, auf dem mit den von diesen internationalen Infrastrukturen ausgehenden Aufträgen eine hohe Wertschöpfung generiert werden kann.

Bericht «Nationale Roadmap Forschungsinfrastrukturen» aktualisiert
Das zuständige Fachamt, das SBFI, erarbeitet periodisch einen Bericht zuhanden des Bundesrates, der den Stand und die Entwicklung von Forschungsinfrastrukturen aufzeigt. Dabei werden auf nationaler Ebene die Entwicklungsprioritäten der jeweiligen Fachgebiete im ETH-Bereich und an den kantonalen Hochschulen berücksichtigt, auf internationaler Ebene zudem die Entwicklungen insbesondere der europäischen Forschungsförderung.

Die aktuelle nationale Roadmap für Forschungsinfrastrukturen 2019 ist in enger Zusammenarbeit mit dem ETH-Bereich und den kantonalen Hochschulen (Universitäten und Fachhochschulen) erarbeitet worden. Der Bericht gibt einen Überblick über die priorisierten laufenden und geplanten nationalen wie auch internationalen Forschungsinfrastrukturen. Diese Vorhaben sind von nationaler Bedeutung und für die Forschungsgemeinschaft aller Hochschulen aufgrund vorgegebener Kriterien zugänglich. Der Bericht dient dem Bund als Planungsgrundlage für die Vorbereitung der Botschaft zur Förderung von Bildung, Forschung und Innovation 2021−2024. Neue Vorhaben können so frühzeitig gesamtschweizerisch koordiniert und nachhaltig abgestützt werden.

Die Roadmap selbst ist kein Finanzierungsinstrument. Die Hochschulen und die Forschungsanstalten des ETH-Bereichs haben mit der Roadmap die Möglichkeit, ihre priorisierten Vorhaben national wie auch international zu positionieren und sichtbar zu machen. Es ist nun an diesen Institutionen, die entsprechenden Finanzierungsentscheide vorzubereiten, um den Aufbau der neu geplanten Forschungsinfrastrukturen zu ermöglichen. Dem Bund fällt dabei gegebenenfalls der Entscheid zu, ob er sich an der einen oder anderen neuen internationalen Forschungsinfrastruktur beteiligen will.

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