Schlüsseltechnologien

Leibniz-Institute treiben den Transfer von KI-Technologien in wirtschaftsrelevante Schlüsselbranchen voran. Sie entwickeln smarte, integrierte Bioraffinerien und KI-gestützte Prozesssteuerung für nachhaltige Agrarproduktion (ATB) und nutzen KI für die Beschleunigung der Pflanzenzüchtung („Digital Crops") (IPK). Darüber hinaus setzen sie KI zur Prädiktion von Lebensmittelqualität und sensorischer Akzeptanz alternativer Proteine ein (LSB) und kombinieren KI mit Robotik für resiliente Anbausysteme (ZALF).

Im Medizinbereich liefern Leibniz-Institute KI-gestützte Strukturanalysen für die Entwicklung von Impfstoffen (BNITM), KI-Subtypisierungen für personalisierte Diabetestherapie (DDZ) oder Prädiktionsmodelle für Krebsrisiken auf Basis von Krankenkassendaten (BIPS). Zudem werden Closed-Loop-Neuromodulationen für psychiatrische Erkrankungen entwickelt (LIR). Ergänzend werden KI-basierte Werkzeuge zur Analyse biophotonischer Spektral- und Bilddaten sowie für medizinisch skalierbare Sofortdiagnostik und Präzisionsmedizin in Onkologie und Infektionsforschung (IPHT) realisiert.

In den Materialwissenschaften schaffen Leibniz-Institute durch KI-gesteuertes Werkstoffdesign (IWT), mit KI-Ansätzen zur Optimierung von Kristallwachstum (IKZ), energieeffizienten KI-Chips (IHP) und KI-gestützter Qualitätskontrolle (DWI)Grundlagen für industrielle Innovationen. Weitere Leibniz-Institute messen kontinuierlich der Grad der KI-Adoption in der deutschen Wirtschaft durch Firmenbefragungen und liefern damit empirische Grundlagen für Politik-beratung (ifo), integrieren KI als Inhalt und Methode in sozial- und bildungswissenschaftliche Großstudien (GESIS, LIfBi) oder entwickeln Digitale Zwillinge und Generative Geovisual Analytics für klimaresiliente Stadtplanung (IÖR).

Die Leibniz-Gemeinschaft stärkt die technologische Souveränität durch Entwicklung von Hardware, Dateninfrastrukturen und ressourceneffizienten Algorithmen. Ihre Institute entwickeln neuromorphe Hardware für energieeffiziente KI-Chips und erforschen bio-inspirierte Netzwerkarchitekturen (IHP, LIN).

Leibniz-Institute nutzen maschinelles Lernen zur Anlagenoptimierung in der industriellen Kristallzüchtung (IKZ) oder entwickeln physikalisch-informierte neuronale Netze und Quantencomputing-Ansätze, die als mathematische Grundlage für vertrauenswürdige KI dienen (WIAS). Die hohe Beteiligung von Leibniz-Instituten an NFDI-Konsortien verdeutlichen das Engagement für FAIR-konformes Forschungsdatenmanagement.

Zentrale Dateninfrastrukturen sind Teil der Leibniz-Gemeinschaft und stellen Forschungsdaten mit neurosymbolischer KI, verschiedenen Wissensgraphen und agentischen KI-Systemen bereit (FIZ KA,TIB), auch in NFDI-Konsortien, u. a. in Textkorpora (IDS), und beraten zu ethik- und rechtskonformen KI-Lösungen (FIZ KA). Ebenso entwickeln Leibniz-Institute domänenspezifische Sprachmodelle z. B. für Web- und Social-Media-Daten (GESIS). Sie betreiben weltweit führende Trainings- und Analyseplattform für Machine-Learning-Modelle in der Biotechnologie (DSMZ) oder etablieren FAIR-konforme Datenpipelines für multimodale Biophotonik (IPHT).

Mit dem Ziel der Bewältigung großer Datenmengen werden „Grüne KI" zur Reduktion des Rechenbedarfs und agentische KI-Systeme für massive Datenströme (ISAS)oder Machine-Learning-Methoden zur Auswertung massiver Spektraldaten mit Transferpotenzial für medizinische Diagnostik und Materialanalyse entwickelt (AIP).

Leibniz-Institute leisten Pionierarbeit zu Large Language Models und erklärbarer KI. Sie forschen zu neurosymbolischer KI (WIAS), automatisierter Erstellung und Verbesserung von Ontologien und erklärbaren Modellen (FIZ KA) oder entwickeln agentische KI-Systeme zur Unterstützung des gesamten Forschungszyklus und kombinieren Large Language Models mit Wissensgraphen für nachvollziehbare, vertrauenswürdige KI (TIB).

In der Bioinformatik wird KI für Hochdurchsatz-Genomanalysen und im Zusammenhang mit Gentherapie und Biodiversität (DPZ) oder für hochwertige biologische Daten, Biomarker und Modelle für Risikoprädiktion und Früherkennung altersassoziierter Erkrankungen (FLI, LIR) genutzt, um Beiträge zur prädiktiven und präventiven Medizin zu liefern. Das Lab-in-the-loop-Konzept ermöglicht die Entwicklung KI-gestützter Biomarker-Entdeckung und Patienten-Stratifizierung für endotypenbasierte Präzisionsmedizin (DRFZ). Ebenso wird KI zur Integration u. a. von Umwelt-Biomarkern und Gesundheitsdaten für Risikoprädiktion und risikostratifizierte Prävention sowie zur Qualitätskontrolle humaner induzierter pluripotenter Stammzellen genutzt (IUF). Zudem werden KI-gesteuerte Labore der Biosicherheitsstufe 3 (BSL3) sowie Viral Data Science für Pathogenidentifizierung eingesetzt (LIV).

KI-gestützte Modelle werden mit Fernerkundungs- und Sensordaten für Ökosystem-Monitoring verknüpft (IOW) sowie für 3D-Tracking von Korallenriff-Fischen und Mangrovenanalysen (ZMT) und mit Verfahren des Deep Learning zur Analyse von Kipppunkten und hybrider Physik-informierter KI-Modelle für Klimaprognosen genutzt (PIK). KI-basierte Bildungssettings für schulische und außerschulische Umwelten werden erforscht und entwickelt, und die Auswirkung von KI auf Wissenskonstruktion (IWM), den Unterricht und das Bildungssystem (DIPF, IPN, LIfBi) sind gleichfalls Gegenstand der Forschung. Darüber hinaus trägt die Leibniz-Gemeinschaft in der Wissenschaftskommunikation durch dialogorientierte Formate zur gesellschaftlichen Akzeptanz und Bildung zu KI bei (z. B. DM).

Prof. Dr. Ulrike Cress
Leibniz-Institut für Wissensmedien (IWM)
u.cress(at)iwm-tuebingen.de

Prof. Dr. Michael Hintermüller
Weierstraß-Institut für Angewandte Analysis und Stochastik, Leibniz-Institut im Forschungsverbund Berlin e.V. (WIAS)
michael.hintermueller(at)wias-berlin.de

Die Hightech Agenda Deutschland strebt bis 2030 mindestens zwei fehlerkorrigierte Quantencomputer an. Leibniz-Institute liefern wichtige Bausteine entlang der Wertschöpfungskette, beginnend von physikalischer Grundlagenforschung für verschiedene Qubit-Technologien bis hin zur Pilotlinie für halbleiterbasierte Quantencomputer.

Ein Alleinstellungsmerkmal, das sich aus der Kooperation von Leibniz-Instituten ergibt, ist die Entwicklung von Si-basierten Spin-Qubits von IKZ, IHP und IFW. Das IKZ züchtet isotopenreine SiGe-Systeme für Spin-basierte Qubits sowie verlustarme Oxidsubstrate für magnonisches Computing. Das IFW bringt die nötige Magnetismus-Kompetenz ein und entwickelt Kobalt-Dots, die es ermöglichen, einzelne Qubits gezielt zu steuern.Das IHP entwickelt daraus Spin-Qubit-Bauelemente und betreibt eine Pilotlinie für skalierbare Quantencomputer-Chips.

Leibniz-Institute tragen zur Entwicklung supraleitender Quantencomputer bei. Das IPHT erforscht Materialien, Schaltungskonzepte und skalierbare Ansteuerungs- und Ausleseverfahren für supraleitende Qubits und beteiligt sich an Pilotlinien, während das IKZ geeignete Substrate für hochwertige schaltungsbasierte Qubits entwickelt.

Leibniz-Institute können außerdem ausgewiesene Expertise bei den „Enabling“-Technologien einbringen, wie Photonik, Laser-, Mikrowellen- Kryotechnik sowie Simulation und Software-Entwicklung. Das IHP entwickelt kryo-qualifizierte BiCMOS-Technologien für Steuerelektronik – eine notwendige Voraussetzung für die Integration von sowohl spinbasierter als auch supraleitender Qubits und klassischer Elektronik.

Das WIAS entwickelt mathematische Methoden für Quantencomputer: Simulation von Spin-Qubits in Halbleiter-Quantenpunkten, stochastische Modelle für schmalbandige Laser sowie hybride quantenklassische Modellierung. Quanten-Computing-Methoden in der stochastischen Optimierung tragen zur Vertrauenswürdigkeit von KI-gestützten Entwicklungen bei.

Darüber hinaus gibt es in der Leibniz-Gemeinschaft eine starke Grundlagenforschung für alternative Qubit-Materialien. Das IFW erforscht im Exzellenzcluster ctd.qmat physikalische Grundlagen und neue Materialsysteme für topologische Qubits. Diese sind extrem fehlertolerant, wurden bisher aber noch nicht praktisch realisiert.

Im Rahmen der Hightech Agenda Deutschland sollen Anwendungsfelder für Quantensensoren als Leuchtturmprojekte erschlossen werden, darunter für die Medizintechnik, Messtechnik und Raumfahrt. Mehrere Leibniz-Institute haben auf diesem Gebiet ausgewiesene Expertise, die sie einbringen können.

Das IOM entwickelt NV-Zentren-basierte Quantensensorik für hochpräzise Magnetfeldmessung mit Anwendungen in Tumordiagnostik, MRI und Materialcharakterisierung. Die deterministische Einzelionenimplantation ermöglicht lateral hochpräzise Dotierung – eine Schlüsseltechnologie für skalierbare Quantensensor-Arrays. Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamanten und stimuli-responsive molekulare Spin-Netzwerke erweitern die Funktionalität.

Das MBI entwickelt neuartige Sensorik auf Basis maßgeschneiderter Laserimpulse. Chiralitäts-Quantensensoren mit extremer Sensitivität sind vielversprechend für die Früherkennung von Stoffwechselstörungen und Krebserkrankungen. Funktionsprinzipien für spintronische Systeme werden u. a. im Exzellenzcluster "Center for Chiral Electronics" entwickelt.

Das IPHT entwickelt quantenlimitierte optisch gepumpte und supraleitende Magnetometer sowie kryogene photonische Quantensensoren für Einzel- und Mehrkanalanwendungen in Biomagnetismus, Umwelt- und Sicherheitsanalytik und kombiniert hierfür photonische integrierte Schaltungen mit supraleitenden Detektoren.

Das FBH liefert photonische Komponenten entlang der kompletten Wertschöpfungskette (Technologie-Reifegrad 1–9): Lichtquellen für optische Atomuhren (Navigation/Synchroni-sation), hochstabile und nichtmagnetische Laserquellen für optische Magnetometer in den Lebens-/Materialwissenschaften, Mid-IR-Sensorik für Umweltanalytik, Einzelphotonenquellen, Quantenfrequenzkonverter für Quanten-Netzwerke sowie Lichtquellen für photonisches Quantencomputing. Hybride Integration, Systementwicklung und Qualifizierung außerhalb von Laborumgebungen sichern industrielle Verwertbarkeit.

Das IAP erschließt die mittlere Atmosphäre für die Quantensensorik mittels quantenlimitierter, optisch gepumpter Magnetometrie in mesosphärischen Atomschichten. Diese hochauflösende Remote-Spektroskopie ermöglicht die präzise Vermessung geophysikalischer Umgebungsparameter und atmosphärischer Kopplungsprozesse. Die Methodik stellt eine Lösung für das Monitoring der Raumfahrt-Infrastruktur sowie für die Validierung globaler geomagnetischer Modelle dar.

Die Hightech Agenda Deutschland fokussiert auf zukunftsfähige Cybersicherheit durch Innovationen in der Quantenkommunikation. Es gibt einige Leibniz-Institute, die zu diesem Ziel substanzielle Beiträge leisten. Das IPHT entwickelt ultraschnelle supraleitende Einzelphotonendetektoren (SNSPD) mit energie-/zustandsauflösender Detektion in kryogener Messtechnik. Faserintegrierte Zeilenarrays (z. B. QPhoton-Projekt) sind Schlüsselkomponenten für sichere Quantenkommunikation (QKD), optisches Quantencomputing und langreichweitige Quantennetzwerke.

Die Technologiedemonstration eines ersten Quantenrepeaters erfordert die Integration von Quantenspeichern, Frequenzkonvertern und Einzelphotonenquellen. Das FBH liefert Quantenfrequenzkonverter und Quantenspeicher, das IPHT stellt die kryogene Auslesetechnik und supraleitende Schaltungen für Multiplexing und Sensor-nahe Signalverarbeitung bereit. Diese Komplementarität ermöglicht systemische Lösungen für skalierbare Quantennetzwerke.

Die Expertise des AIP bei der Detektion einzelner Photonen ist auch in der Quantenkommunikation von Bedeutung. Ferner wird beim Quantenschlüsselaustausch über Satelliten auf adaptive Optik der Astronomie gesetzt. Das IAP hat seinen Fokus auf dem Gebiet der Atmosphärenphysik und kann somit spezielle Kompetenzen übergreifend in der Grundlagenforschung einbringen, z. B. zur Erzeugung von Quantenübergängen in angeregten Atomen.

Die Hightech Agenda Deutschland hebt Fachkräfteengpässe als kritisches Risiko hervor. Die Fachkräfteagenda „Quantum Future Professionals" soll die Aus- und Weiterbildung sowie „Quantum Awareness" fördern. Alle Leibniz-Institute der Mathematik, Natur- und Ingenieurwissenschaften sind auch hervorragende Ausbildungsstätten für hochspezialisiertes Fachpersonal auf dem jeweiligen Forschungsgebiet und tragen zur Erreichung dieses Ziels maßgeblich bei, insbesondere auch durch die enge Kooperation mit den Hochschulen bei der Ausbildung der nächsten Generation von Expertinnen und Experten sowie Forschenden auf dem Gebiet der Quantentechnologie.

Eine besondere Stellung nimmt das DM ein, das unter anderem ein herausragender Partner für MINT-Bildung zu Quantentechnologien ist. So bietet es im Rahmen der Kooperation mit dem Munich Quantum Valley, Munich Center for Quantum Science and Technology und dem Exzellenzcluster ctd.qmat Bildungsangebote für Schule, Studium und Unternehmen im Rahmen des Festivals der Zukunft an. Das Festival bringt Vordenker mit Tausenden Interessierten zusammen und verbindet Technologie, Wissenschaft, Kunst. Damit unterstützt das DM dabei, die „Quantum Awareness“ in der Breite der Gesellschaft zu verankern und zukünftige Fachkräfte frühzeitig zu begeistern.

Prof. Dr. Bernd Büchner
Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden (IFW)
B.Buechner(at)ifw-dresden.de

Prof. Dr. Stefan Eisebitt
Max-Born-Institut für Nichtlineare Optik und Kurzzeitspektroskopie (MBI)
eisebitt(at)mbi-berlin.de

Weltweit führende Technologieplattformen für Chip-Design

Das IHP ist ein wichtiger Akteur im European Chips Act, einem Maßnahmenpaket der Europäischen Kommission, das darauf abzielt, die Versorgungsschwierigkeiten bei Halbleitern zu bewältigen und die Produktion von Halbleitern in Europa zu erhöhen. Das IHP stellt eine weltweit führende BiCMOS- und Silizium-Photonik-Technologieplattform bereit, welche für die Entwicklung und Fertigung von Hochfrequenz- und optoelektronischen Chips für Anwendungen wie beispielsweise 6G-Kommunikation, Sensorsysteme und KI-Edge-Anwendungen für die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie weiteren Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft zugänglich gemacht werden.

Dazu bietet das IHP einen Wafer-Fertigungsservice für Prototypen und Kleinserien sowie Process Design Kits für Cadence und ADS an und schließt damit die Lücke für den Zugang zu Schlüsselbauteilen in kleinen und mittleren Stückzahlen für Kunden aus Industrie, kleinen und mittleren Unternehmen und StartUps. Die Entwicklung strahlungsgehärteter BiCMOS-Technologie für Weltraumanwendungen (ESA Mission JUICE) sowie die RF/mm-wave Designkompetenz von DC bis >500 GHz und RISC-V-basierte Multiprozessorsysteme adressieren die Abhängigkeit bei Chip-Design-Software und fördern offene Standards.

BiCMOS Technologien sowie das geistige Eigentum (IP) des IHP werden ebenfalls als Open Source angeboten. Darüber hinaus ist das IHP sehr aktiv im Bereich der Weiterentwicklung von und Ausbildung an Open Source Tools für die Chip Entwicklung. Das IHP hat große Expertise im Entwurf elektronischer Systeme, die von den Hochfrequenz-Komponenten für Kommunikation und Radar bis zu RISC V basierten Fault-Toleranten und adaptiven Multiprozessorsystemen im Digitalbereich reichen.

Neuromorphe Hardware: Energieeffiziente KI-Chips und Algorithmik

Das IHP entwickelt in Partnerschaft mit dem LIN neuromorphe Hardware für energieeffiziente Chips und bringt Hirnforschung, KI und Chip-Design in patientennahen Closed-Loop-Implantaten zusammen. Darüber hinaus entwickelt das IHP mit Partnern aus Wissenschaft und Industrie neuromorphe Edge-/Cloud-Plattformen für energieeffiziente, sichere KI-Systeme. Diese Arbeiten liefern neurobiologische Modelle für Autoencoder, Spiking Neural Networks und eine bio-inspirierte NextGen-KI-Prozessorarchitektur – Open Hardware-Ansätze im Sinne der Hightech Agenda Deutschland.

Pilotlinie Advanced Packaging: Chiplet-Integration

Das FBH ist im Rahmen der FMD mit seiner Pilotlinie „Advanced Packaging and Hetero-geneous Integration“ Akteur im European Chips Act. Die Schwerpunkte des Leibniz-Instituts liegen dabei auf bipolaren Indiumphosphid-Chiplets für Hochfrequenz sowie Integration von Laser-Chiplets auf Galliumarsenid-Basis zu Photonic Integrated Circuits. Das FBH entwickelt Galliumnitrid-HEMT- und Indiumphosphid-HBT-Technologien aus eigener Produktion für effiziente Leistungserzeugung von Giga- bis Terahertz. Die komplette Wertschöpfungskette – von Bauelementen über miniaturisierte Module bis zu Plug-&-Play-Systemen (TRL 1-8) – ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen für Industrie und Forschung z. B. für eine integrierte photonische Quantentechnologie.

Substrat- und Materialversorgung

Das IKZ liefert als einzige Forschungseinrichtung in Deutschland kritische Halbleitersubstrate: Galliumarsenid, Indiumphosphid, Galliumantimonid, Germanium, Czochralski-Silizium, Float-Zone-Silizium, Silizium-Germanium für 6G-Kommunikation, Hochfrequenz und Leistungselektronik. Die Lithiumniobat/Lithiumtantalat-Plattform ermöglicht photonische integrierte Schaltungen. Das IKZ betreibt vorkommerzielles Prototyping (TRL 1-7) sowie Kristallservice für Kleinserienfertigung bei Nicht-Verfügbarkeit am Markt – ein direkter Lab-to-Fab-Beitrag zur Autonomie bei Materialien. Die Entwicklung von Aluminiumnitrid und Galliumoxid für Leistungselektronik oder Ultraviolett-Photonik stärkt die Technologiesouveränität in Zukunftsmaterialien.

Materialinnovationen

Das IFW erforscht zweidimensionale Materialien von der Materialsynthese über die Bauteile-erstellung bis zur Anwendung sowie Präkursoren für Atomlagenabscheidung, Chemische Gasphasenabscheidung und Metallorganische Chemische Gasphasenabscheidung zur Schichtabscheidung – Materialbasis für zukünftige Chip-Generationen. Nachhaltige Elek-tronikmaterialien, thermoelektrische Bauelemente und Elektronenoptik bzw. Charakterisierung unterstützen Energieeffizienz und Qualitätssicherung.

Forschungsinfrastruktur und Fachkräftequalifizierung

Das IHP betreibt unter industrienahen Bedingungen Reinräume und eine qualifizierte Pilotlinie im Rahmen der Forschungsfabrik Mikroelektronik. Diese einzigartige Infrastruktur steht externen Forschenden sowie Unternehmen offen und ermöglicht kleinen und mittleren Unternehmen und Industrie Zugang zu Cutting-Edge-Technologien. Das FBH bietet eine ähnliche Infrastruktur für Verbundhalbleiter (III-V-Materialien), womit Deutschland in Nischenbereichen wie Höchstfrequenztechnik seine technologische Führungsposition ausbaut.

Das FBH koordiniert Schlüsselaktivitäten, wie z. B. die nationale Bildungsakademie für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik „Microtec Academy“ im Rahmen des BMFTR-Fachkräfteleitprojekts "skills4chips". Die Bildungsakademie reagiert mit innovativen Konzepten auf die Herausforderungen des wachsenden Fachkräftebedarfs sowie die damit verbundenen Veränderungen am Arbeitsmarkt. 

Substratversorgung und Substitutionsforschung

Das IHP setzt mit seiner qualifizierten Pilotlinie, die Cutting-edge-Technologien „Made in Germany“ ermöglicht, Standards für eine Unabhängigkeit von nicht-europäischen Lieferanten und stärkt damit die technologische Resilienz Deutschlands. Das IKZ adressiert die Lieferkettenproblematik durch Substitutionsforschung für kritische Materialien (Germanium, Gallium, Seltene Erden). Die eigene Produktion von Halbleiterkristallen reduziert die Abhängigkeit von internationalen Lieferanten im Kontext aktueller Tendenzen der Deglobalisierung. Der Kristallservice für Kleinserienfertigung ist eine direkte Resilienzmaßnahme. KI- und Machine-Learning-gestützte Anlagenoptimierung beschleunigt Entwicklungszyklen und ermöglicht eine schnellere Reaktion auf Lieferengpässe.

Materialcharakterisierung und Sicherheitschips

Materialcharakterisierung im Bereich von Elektronik und Photonik wird durch eine Vielzahl von Leibniz-Instituten abgedeckt (IOM, IFW, IVW, IKZ, PDI, IHP, FBH, INM, MBI etc.). Das IHP entwickelt strahlungsgehärtete BiCMOS-Technologie für Weltraum und Verteidigung – eine direkte Antwort auf die Notwendigkeit der Lieferkettensicherheit bei Sicherheitschips. RISC-V-basierte Systeme (Open Hardware) reduzieren Abhängigkeiten von proprietären Architekturen. Das FBH leistet mit hybrider Mikrointegration einen Beitrag für quantenphotonische Systeme für die Raumfahrt.

Prof. Dr.-Ing. Gerhard Kahmen
Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik (IHP)
kahmen(at)ihp-microelectronics.com

Prof. Dr.-Ing. Patrick Scheele
Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH)
patrick.scheele(at)fbh-berlin.de

Die Hightech Agenda Deutschland strebt an, Deutschlands Souveränität in Genomsequenzierung, Gen- und Zelltherapie, KI-gestützter Wirkstoffentwicklung sowie Präzisionstherapien zu stärken. Leibniz-Institute entwickeln entlang der gesamten Wertschöpfungskette technologische Lösungen von der Grundlagenforschung (Technologie-Reifegrad (TRL) 1) hin zur klinischen Validierung (TRL 6–8).

Genomsequenzierung für integrierte multidimensionale Analytik in der personalisierten Diagnostik und Therapie

Die Leibniz-Institute FZB, DSMZ, HKI, DRFZ, IPHT, IUF und LIV betreiben national und international einzigartige Plattformen für genomsequenz-basierte Diagnostik. Das FZB orchestriert mit dem SubSaharanSeqNet ein internationales Sequenziernetzwerk für Tuberkulose-Genomik und entwickelt KI-gestützte Resistenzvorhersage-Algorithmen. Die DSMZ stellt als nationale und globale Bioressourcen-Infrastruktur genomsequenzierte Referenzstämme bereit und entwickelt Genome-Mining-Pipelines für die Identifikation therapeutisch relevanter Biosynthesewege. Die Kombination aus umfassender Stammsammlung und KI-basierter Analyse von Sequenz- und Metadaten ermöglicht die systematische Erschließung mikrobieller Diversität für therapeutische Anwendungen.

Das HKI betreibt mit dem Nationalen Referenzzentrum für Pilzinfektionen eine international einzigartige Genotypisierungsstelle für die molekulargenetische Diagnostik, während das DRFZ die größte genomische und proteomische Datenkohorte für Patienten mit rheumatischen Erkrankungen vorhält und integrierte automatisierte Prozesse zur molekularen Hochdurchsatzdiagnostik entsprechender Patientenproben für die breite Implementierung auf nationaler Ebene aufgesetzt hat. Das IPHT entwickelt hierfür integrierte Analysepipelines für bakterielle Genomsequenzierung und molekulare Charakterisierung klinisch relevanter und antimikrobiell resistenter Pathogene und überführt diese gemeinsam mit akademischen und industriellen Partnern in multiparametrische sowie Point-of-Care-Diagnostik entlang der gesamten Translationskette.

Die am IUF entwickelten Analyseplattformen CleanFinder und wsabi ermöglichen eine integrierte, sequenzbasierte Auswertung genetischer, epigenetischer und editierungsbedingter Varianten und tragen damit zur multidimensionalen Genomanalytik im Kontext personalisierter Diagnostik und funktioneller Therapieentwicklung bei. Das LIV entwickelt klinische Metagenomik-Anwendungen zur personalisierten und hypothesenfreien Präzisions-Analytik von Infektionserregern. Dadurch werden raschere und gezieltere Therapiemaßnahmen ermöglicht.

KI-gestützte Wirkstoffentwicklung

Die HTAD identifiziert die KI-basierte Beschleunigung der Wirkstoffentwicklung als strategische Priorität. Leibniz-Institute wie BNITM, LIV, IPB, HKI und LIT setzen KI systematisch zur Forschung und Optimierung ihrer Wirkstoffentwicklung ein. Das BNITM und das LIV nutzen KI-basierte Multi-Omics- und Strukturanalysen, um Infektions-, Resistenz-, Persistenz- und Pathogenitätsmechanismen zu erforschen. IPB und HKI verwenden generative KI und maschinelles Lernen für das Design neuer Naturstoffe und synthetischer Moleküle. Die Kombination aus Biosynthese-Engineering, Strukturvorhersage und automatisierter Analytik ermöglicht beschleunigte Entwicklungszyklen.

Das HKI hat mit dem Biotechnikum eine Translationsstruktur für therapeutisch wirksame Naturstoffe aufgebaut und demonstriert diese exemplarisch am Wirkstoff BTZ-043 gegen multiresistente Tuberkulose (klinische Phase IIb). Das LIT entwickelt KI-modellierte synthetische Antigenrezeptoren für die Gen- und Zelltherapie bringt sie in die klinische Erprobung.

Verlässliche und zukunftsfähige Arzneimittelversorgung sowie ressourceneffiziente Therapien

Souveränität, Innovationskraft und Finanzierbarkeit der Arzneimittelherstellung in Deutschland und Europa sind zentrale Zielstellungen der Leibniz-Gemeinschaft und erfordern integrierte Ansätze in Medikamentenentwicklung, Herstellung, Diagnostik und Testung. Zahlreiche Leibniz-Institute, u. a. INM, ISAS, DWI, BNITM, IPF und LIT, adressieren diese Ziele, ergänzt durch gesundheitsökonomische Impulse des RWI. Das INM entwickelt bio-engineerte Materialien und Plattformen für eine effiziente, ortsspezifische Arzneimittelherstellung im Körper der Patienten, die die Aufnahmeeffizienz verbessern und eine kostengünstigere, nachhaltigere Versorgung ermöglichen sowie Lieferengpässe reduzieren. Diese Ansätze werden im Leibniz Science Campus „Living Therapeutic Materials“ gemeinsam mit universitären, klinischen Partnern und dem LIT bis zur präklinischen und klinischen Validierung weiterentwickelt.

Das DWI ist Vorreiter der Sonopharmakologie. Hierbei wird die Aktivität von Wirkstoffen mit Hilfe von Ultraschall kontrolliert. Außerdem entwickelt das DWI minimalinvasive Therapien zur In-vivo-Regeneration geschädigten Gewebes. Das IPF entwickelt In-vitro-Modelle für Organe und Erkrankungen sowie regenerative Therapien und forscht an innovativen, entzündungshemmenden und antimikrobiellen Biomaterialien. Das LIT kooperiert mit INM und ISAS bei der Entwicklung finanzierbarer und skalierbarer Herstellungssysteme für genveränderte Immunzelltherapeutika.

Translationszentren für Gen- und Zelltherapien

Die Leibniz-Institute LIT, DWI, DPZ, FMP und DRFZ sind international führende Zentren für die Translation von Gen- und Zelltherapien in die klinische Anwendung. Das LIT nutzt genetische Reprogrammierung von Immunzellen zur Herstellung synthetischer, mit artifiziellen Funktionen ausgestatteter „Smart Living Drugs“ für die Heilung schwerer chronischer Erkrankungen wie Krebs, Autoimmunerkrankungen und, gemeinsam mit dem DRFZ, rheumatologischer Erkrankungen.

Das LIT stellt mit seinen umfangreichen GMP-Herstellungskapazitäten für genetisch veränderte Zelltherapeutika eine der wichtigsten nationalen Infrastrukturen für Gen- und Zelltherapeutika dar und hält diese im Rahmen der Nationalen Strategie für Gen- und Zelltherapien und des Nationalen Zentrums für Tumorerkrankungen für nationale Kooperationen vor. Das DPZ adressiert die zentrale Lücke zwischen präklinischer Entwicklung und klinischer Anwendung von Gen- und Zelltherapien. Das Institut etabliert Primaten-Krankheitsmodelle für Parkinson, Alzheimer und neurodegenerative Erkrankungen und entwickelt gentherapeutische Ansätze mit AAV-Vektoren sowie CRISPR/Cas-basierte Genome-Editing-Verfahren. Die Validierung erfolgt in translational relevanten Modellen, die die physiologischen Besonderheiten des Menschen deutlich besser abbilden als Nagetiermodelle.

Das DRFZ entwickelt gemeinsam mit dem LIT CAR-T-Zelltherapien für Autoimmunerkrankungen und erforscht B-Zell-gerichtete Immuntherapien und T-Zell-basierte Therapien. Die Expertise umfasst die komplette Wertschöpfungskette von der Zellcharakterisierung über ex-vivo-Manipulation bis zur Biomarker-gestützten Patientenstratifizierung. Das FMP ergänzt diese Arbeiten durch chemische Biologie für RNA-Therapeutika, strukturbasiertes Wirkstoffdesign sowie Hochdurchsatz-Screening-Plattformen für Gen- und Zelltherapie-relevante Targets.

Für die Zusammenarbeit des DWI mit der Uniklinik RWTH Aachen und anderen Kooperationspartnern steht im JointLab "First in Translation" eine GMP-konforme Reinrauminfrastruktur zur Verfügung. Sie wird beispielsweise für zell- und genbasierte Therapien für die Patientenversorgung und die Translationsforschung genutzt. Gezielt werden innovative Ansätze aus der Forschung in die Klinik weiterentwickelt.

Die HTAD zielt auf den Ausbau Deutschlands als Leitmarkt für präventive Gesundheitstechnologien. Leibniz-Institute entwickeln Biomarker-basierte Diagnostik, KI-gestützte Risikomodelle und innovative Medizintechnologien für personalisierte Prävention. Die Forschung der Leibniz-Institute bilden ein Kernprofil der Leibniz-Gemeinschaft im Bereich der bio-markerbasierten Früherkennung, Langzeitkohorten, KI-gestützten Risikoprädiktion und personalisierten Präventionsstrategien. Die Leibniz-Gemeinschaft ermöglicht so den Wandel zu prädiktiver und präventiver Medizin.

Innovative Medizintechnologien für datenbasierte personalisierte Diagnostik

Das IPHT und das INM entwickeln photonische und materialbasierte Schlüsseltechnologien als enabling technologies für die diagnostische Unabhängigkeit. Das IPHT kombiniert Photonik, hochauflösende optische Bildgebung, Mikrofluidik und KI-gestützte Signalanalyse zu Point-of-Care-Systemen, faseroptischen Sensoren sowie minimal-invasiven in-vivo-Diagnostik- und Imagingverfahren mit hohem Translationspotenzial.

Das IPHT und HKI engagieren sich federführend im Leibniz-Zentrum für Photonik in der Infektionsforschung (LPI) das als Translationsinfrastruktur der nationalen Roadmap für Forschungsinfrastrukturen eine nutzeroffene One-Stop-Agency ist, die photonische Lösungen systematisch vom Konzept bis zum zertifizierten Medizinprodukt überführt. Das INM erschließt durch Biosensoren und wearable Devices kontinuierliches Echtzeit-Monitoring kritischer Biomarker. Damit adressieren sie die technologische Souveränität in strategisch relevanten Diagnostiktechnologien und beschleunigen Translation durch industriekompatible Systeme.

Biomarker-basierte Früherkennung und Risikostratifizierung

Das DDZ entwickelt KI-basierte Subtypisierungsverfahren für Diabetes mellitus, die über die klassische Typ-1/Typ-2-Dichotomie hinausgehen und fünf datengetriebene Subgruppen mit unterschiedlichen Progressionsrisiken und Therapieresponsen identifizieren. Diese Präzisionsdiabetologie ermöglicht risikoadaptierte Präventionsstrategien und eine personalisierte Therapieauswahl. Das DIfE ergänzt dies durch den Deutschen Diabetes-Risiko-Test® sowie den HKE-Test zur Vorhersage von Herz-Kreislauf-Erkrankungen auf Basis von Biomarkern und Lebensstilfaktoren.

Das ISAS entwickelt mehrdimensionale Biomarker-Analytik durch Integration von Massenspektrometrie-Imaging, Raman-Spektroskopie und KI-gestützter Bildauswertung. Diese multimodale Diagnostik ermöglicht räumlich aufgelöste Molekülcharakterisierung in Geweben und Einzelzellen – relevant für die Früherkennung von Krebs, Atherosklerose und neurodegenerativen Erkrankungen. Das FLI stellt hochwertige biologische Daten, Biomarker und Modelle für Risikoprädiktion und Früherkennung bereit und identifiziert neue therapeutische Zielstrukturen und biologische Signalwege für Gen- und Zelltherapien und präventive Interventionen.

Das DRFZ ist eine europaweit führende Institution für die Entwicklung und die Implementierung des „Lab-in-the Loop“ Konzepts von modernen Hochdurchsatz- und KI-Methoden in den Klinikbetrieb. Damit ermöglicht das DRFZ konzeptionelle Durchbrüche in der molekularen Krankheitsdefinition und Patienten-Stratifizierung, Früherkennung und Prävention von Krankheiten und der Entdeckung neuer Therapieoptionen im Bereich der rheumatologischen Erkrankungen.

KI-gestützte Risikoprädiktion und digitale Präventionstools

Das BIPS, das IfADo und das LIR entwickeln diagnostische Tools und präventive Ansätze zur Verhinderung von Volkskrankheiten und entwickeln Methoden der Risikoprädiktion weiter. Das BIPS untersucht die Ätiologie von Volkskrankheiten und entwickelt darauf aufbauend Verhaltens- und Verhältnispräventionsmaßnahmen, implementiert diese (Implementationsforschung) und evaluiert deren Wirksamkeit. Dazu erfasst das BIPS medizinische Daten, soziodemografische und Lebensstil-Informationen sowie molekulare Daten in großen Kohortenstudien wie IDEFICS/I.Family und in der NAKO Gesundheitsstudie und analysiert diese unter Einsatz von KI-Methoden.

Das IfADo nutzt eine Langzeitkohorte mit >10.000 Probanden für KI-basierte Vorhersagemodelle zu kognitiver Leistungsfähigkeit, psychischer Gesundheit und Burnout-Risiko. Die Kombination aus neurophysiologischen Messungen, Biomarkern und verhaltensbasierten Daten ermöglicht individualisierte Präventionsempfehlungen. Das LIR entwickelt auf der Basis von Langzeitkohorten und translationalen mechanistischen Studien neurobiologische Resilienz-Biomarker und erforscht mRNA-basierte Therapeutika für stressassoziierte Erkrankungen. Die Identifikation molekularer Resilienz-Mechanismen und deren Translation in präventive Interventionen (z. B. app-basierte Verhaltensinterventionen) adressiert die zunehmende Belastung durch psychische Erkrankungen.

IfADo und LIR entwickeln darüber hinaus nicht-invasive Hirnstimulationsverfahren zur Prävention und Therapie psychischer und neurologischer Erkrankungen. Das BNITM nutzt KI-gestützte Modellierungen von Erregerausbreitungen und Transmissionsketten für die Epidemievorhersage und damit die Prävention von Infektionskrankheiten.

Prof. Dr. Philipp Beckhove
Leibniz-Institut für Immuntherapie (LIT)
beckhove(at)rcii.de

Prof. Dr. Klaus Lieb
Leibniz-Institut für Resilienzforschung (LIR)
klaus.lieb@lir-mainz.de

Prof. Dr. Iris Pigeot
Leibniz-Institut für Präventionsforschung und Epidemiologie – BIPS
pigeot@leibniz-bips.de

Die Transformation zur biobasierten Wirtschaft erfordert innovative Verfahren und Techno-logien zur Nutzung nachwachsender Rohstoffe und von Reststoffen. Leibniz-Institute entwickeln biotechnologische und verfahrenstechnische sowie produkt- und prozessbezogene Lösungen entlang der Umsetzung verzweigter Wertschöpfungsketten bis zur Kreislaufwirtschaft, die sowohl ökonomische und soziale als auch ökologische Anforderungen adressieren.

Bioraffinerie und stoffliche Nutzung biogener Ressourcen

Das ATB entwickelt integrierte Bioraffineriekonzepte für die Überführung von Biomasse und Reststoffen in hochwertige Produkte. Die Forschung umfasst die Prozesskette von Vorbe-handlung über enzymatische und mikrobielle Konversion bis zur Produktisolierung, insbesondere die Entwicklung von Verfahren zur Gewinnung von Proteinen, Huminstoffen, Fasern und biobasierten Grundchemikalien. Zudem werden Biokonversionstechnologien für höhere Methanerträge in Biogasanlagen bei gleichzeitiger Düngernutzung der Gärreststoffe entwickelt. Das Institut setzt dabei auf die Einbindung von Wirtschaft, Politik und Gesellschaft im Rahmen von Co-Entwicklungen über Living Labs wie dem Leibniz-Innovationshof für Nachhaltige Bioökonomie.

Das IPB trägt durch Identifizierung und Entwicklung wertvoller Pflanzeninhaltsstoffe für Pharmazie, Biotechnologie und Wirkstoffentwicklung bei. Mittels metabolic engineering und synthetischer Biologie werden Produktionsorganismen optimiert, um komplexe Moleküle herzustellen. Das ZMT erschließt marine Ressourcen durch Algenforschung und das IGZ nutzt hygienisiertes Solewasser für die landbasierte Produktion von Algen und Halophyten als Biomasseproduzenten und Quelle bioaktiver Substanzen.

Alternative Proteinquellen und zukunftsfähige Ernährung

Die Diversifizierung der Proteinquellen ist zentral für die Ernährungssicherheit einer wachsenden Weltbevölkerung. Das IPK stellt pflanzengenetische Ressourcen bereit, erschließt relevante genetische Grundlagen und legt damit den Grundstein für die Entwicklung verbesserter sowie neuer Proteinquellen. Das ATB entwickelt Verfahren zur Extraktion pflanzlicher Proteine aus Hülsenfrüchten und Nebenprodukten und erforscht Insekten und gemeinsam mit dem IGZ Algen als Protein- und Lipidquellen für Futter- und Lebensmittel, einschließlich Produktionssystemen und Verarbeitungstechnologien. Das ZALF entwickelt und optimiert Anbauverfahren für (neue) Hülsenfrüchte unter heutigen und künftig veränderten klimatischen Gegebenheiten.

Im Rahmen des BMFTR-Förderprogramms „Agrarsysteme der Zukunft“ entwickeln die Leibniz-Institute (ATB, IGZ, ZALF, ZMT) systemische und nachhaltige Lösungen für zukünftige Ernährungssysteme im Kontext von Klimawandel, Ressourcenknappheit und Ernährungssicherheit. Mit ihrem ganzheitlichen Konzept, das technologische Innovation, Nachhaltigkeit und gesellschaftliche Transformation verbindet, zeigen sie, wie urbane Räume zu produktiven Zentren der Lebensmittelproduktion werden und neue Nahrungsquellen einen wichtigen Beitrag zu einer zukunftsfähigen, resilienten Ernährung leisten können.

Die Arbeiten des ZMT zu nachhaltigen Aquakultursystemen integrieren Nährstoffkreisläufe und ermöglichen die Kopplung von Lebensmittelproduktion mit Biomasseerzeugung für stoffliche Nutzung.

Digitalisierung und Prozessoptimierung

Das IPK nimmt im internationalen Maßstab eine führende Rolle bei der Transformation traditioneller Genbanken in biodigitale Ressourcenzentren ein. Hier wird das gelagerte Pflanzenmaterial systematisch mit detaillierten molekularen Daten verknüpft. So lassen sich diese Ressourcen gezielter, umfassender und damit wirksamer erschließen und nutzen, um neue, standortangepasste Sorten zu entwickeln und unsere Kulturpflanzen zukunftsfähig zu machen. Das IPK arbeitet gemeinsam mit dem IPB an Entwicklungsideen für neuartige pflanzliche Lebensmittel, pharmazeutische Produkte und pflanzenbasierte Rohstoffe für die chemische Industrie.

Das IAMO entwickelt Lösungen zur Begleitung der digitalen Transformation der Agrar- und Ernährungswirtschaft. Ein Fokus liegt in der Akzeptanz und Inwertsetzung, insbesondere Plattformlösungen für Farm-Management-Systemen sowie zur integrierten Nachhaltigkeits-bewertung- und -verifizierung.

Das ZALF entwickelt und erforscht agronomische und ökologische Grundlagen für innovative Anbausysteme wie kleinflächige Diversifizierung (u. a. Streifen- und Mosaik-Anbau und Mischkulturen), um Biodiversität, Ressourceneffizienz und Klimaresilienz in der Landwirtschaft zu verbessern.

Das ATB erweitert die Anbausystemforschung des ZALF durch die Entwicklung der erforderlichen technischen Lösungen: Es arbeitet an intelligenter, sensorgestützter Landtechnik, automatisierten Systemen für kleinflächige und diverse Anbaumuster sowie an digitalen Technologien für präzise Aussaat, Pflege und Ernte in komplexen, für Europa typischen Mischkulturen. Diese Digitalisierung erhöht die Ausbeute und ermöglicht die flexible Anpassung an schwankende Rohstoffqualitäten und Produktanforderungen. In der Tierhaltung forscht das ATB zu digitalem Tierwohlmonitoring, klimaangepassten Stallbaukonstruktionen und Lösungen zur Reduzierung von Schadgasemissionen.

Mit weiteren Leibniz-Instituten bestehen deshalb enge Kooperationen zu angrenzenden Themen im Bereich der Materialwissenschaften oder bei Entwicklungen im Bereich digitaler Technologien (IHP). Hierzu zählt auch die Entwicklung von Datenpipelines und Auswertungswerkzeugen für geoinformatische Modellierungen z. B. der Artenvielfalt sowie räumliche Naturschutzplanungsanalysen (IGB).

Klimawandel, Ressourcenknappheit und Nachhaltigkeitsanforderungen stellen die Agrar- und Ernährungssysteme vor fundamentale Herausforderungen. Leibniz-Institute adressieren diese durch einen integrierten Ansatz von molekularen Mechanismen über Züchtungstechnologien bis zur Ebene komplexer Agrar-Ernährungssysteme und der Bioökonomie. Die Kompetenz-felder der acht Leibniz-Institute im Bereich Agrar-, Lebensmittel- und Ernährungsforschung umfassen die Entwicklung nachhaltiger Verfahren der pflanzlichen Produktion im Agrarlandschaftskontext am ZALF und im Gartenbau am IGZ. Dabei steht die Entwicklung und bestmögliche Nutzung von Technologien im Fokus des ATB, die genetischen und bio-chemischen Zusammenhänge erforschen IPK, IPB und IGZ.

Im Ernährungsbereich forscht das LSB zur sensorischen Lebensmittelqualität sowie zum Einfluss von chemosensorisch-aktiven Lebensmittelinhaltsstoffen auf Stoffwechselprozesse von Pflanze, Tier und Mensch. Den Einfluss der Ernährung auf die menschliche Gesundheit untersucht das DIfE, und der gesundheitsorientierten Nachfrage nach Nahrungsmitteln widmet sich IAMO. IAMO und ZALF betrachten ökonomische und institutionelle Fragen der Transformation von Agrar- und Ernährungssystemen und deren Resilienz. Globale Zusammenhänge heutiger und künftiger Agrar- und Ernährungssysteme und ihrer Veränderungen werden v. a. vom IAMO und PIK untersucht.

Moderne Züchtungstechnologien für Klimaanpassung und nachhaltige Pflanzenschutz- und Produktionssysteme

Das IPK verfügt über eine der größten Genbanken Europas und nutzt diese genetische Vielfalt systematisch für die Entwicklung klimaresilienter Kulturpflanzen. Mit genomweiten Assoziationsstudien und genomischer Selektion werden Gene für Trockenheits-, Hitze- und Stresstoleranz identifiziert. Hochdurchsatzfähige Phänotypisierungs-Plattformen quantifizieren mittels Bildanalyse und maschinellem Lernen pflanzliche Stressreaktionen, beschleunigen Züchtungszyklen und ermöglichen präzise Vorhersagen von Sorteneigenschaften unter zukünftigen Klimabedingungen.

Das IPB erforscht molekulare und biochemische Grundlagen von Stresstoleranz. Die Identifizierung von Signalwegen und Stoffwechselprozessen bietet Ansatzpunkte für gezielte Züchtung und biotechnologische Optimierung. Zudem werden spezialisierte Metabolite in der Pflanzenabwehr untersucht, um natürliche Resistenzmechanismen gegen Pathogene und Schädlinge zu stärken.

Das IGZ entwickelt präventive, biologische Pflanzenschutzkonzepte, die chemische Intervention durch biologische Kontrolle und resistente Sorten ersetzen. Expertise besteht in geschlossenen Produktionssystemen wie Urban Farming und feldbasierten Gemüseanbausystemen, die ressourceneffiziente Produktion bei minimierten Pflanzenschutzmitteleinsatz ermöglichen.

Das ATB entwickelt vielfältige digitale und Hardware Technik zur Erkennung von Pflanzen-krankheiten und weiterführend zur zielgerichteten Applikation mit Drohnen sowie autonomen Fahrzeugen und Implementen, die diese Erkennung vollautomatisch umsetzen.

Auf Systemebene erforscht das ZALF die Möglichkeiten der Nutzung neuer Technologien für resiliente, klimaangepasste Landnutzungssysteme. Durch Langzeitversuche und Modellierung werden Anbausysteme, Bodenbearbeitungsverfahren und Agroforstsysteme entwickelt, die Produktivität mit Klimaschutz, Biodiversität und Gewässerschutz verbinden. Das ZALF integriert dabei agronomisches Wissen mit sozioökonomischen Analysen, um Transformationspfade für Landwirtschaftsbetriebe aufzuzeigen. Die digitale Vernetzung von Feldversuchen, Fernerkundung und Modellierung schafft Entscheidungsgrundlagen für eine standort-angepasste, klimaresiliente Landwirtschaft.

Das LSB charakterisiert pflanzliche Proteine auf molekularer Ebene und untersucht deren sensorische und Verarbeitungseigenschaften für schmackhafte pflanzenbasierte Lebensmittel. Das DIfE ergänzt durch die ernährungsphysiologische Bewertung alternativer Proteinquellen, einschließlich ihrer Bioverfügbarkeit und gesundheitlichen Wirkungen. Das IAMO verbindet ökonomische Bewertungen neuer Züchtungstechnologien mit der Analyse gesellschaftlicher Diskurse zu deren Akzeptanz.

Nährstoffmanagement und Ökosystemleistungen

Nachhaltige Landwirtschaft erfordert effizientes Nährstoffmanagement. Das IOW und IGB erforschen Auswirkungen landwirtschaftlicher Nährstoffeinträge auf Gewässer und entwickeln Strategien zur Reduktion von Stickstoff- und Phosphorausträgen als wissenschaftliche Grundlage für Düngeverordnung und regionale Nährstoffmanagementkonzepte. Das ATB trägt durch Technologien zur Rückgewinnung von Nährstoffen aus Gärresten und Gülle zur Stärkung der Kreislaufwirtschaft bei. Das IGB erforscht Prozesse des Wasserhaushalts in Landschaften, einschließlich der Effekte von Landnutzungsänderungen auf die Wasserverfügbarkeit, und entwickelt Methoden zur Quantifizierung und Bewertung von Ökosystemleistungen, wie Wassersicherheit, Hochwasserschutz, Schadstoffrückhalt und -umwandlung in (gestörten) sozio-ökologischen Systemen.

Das ZALF erforscht effiziente Nährstoffkreisläufe in Agrarlandschaften, um Stickstoff- und Phosphorüberschüsse zu reduzieren und gleichzeitig die Produktivität zu erhalten. Bei Öko-systemleistungen analysiert das ZALF systematisch die vielfältigen Leistungen von Agrar-landschaften und entwickelt Bewirtschaftungskonzepte, die diese Leistungen optimieren und messbar machen. Das IGZ erforscht die präzise Nährstoffversorgung und -effizienz in gartenbaulichen Produktionssystemen sowohl im integrierten als auch im ökologischen Anbau. Zu Ökosystemleistungen arbeitet das IGZ vor allem an der Bewertung urbaner und periurbaner Gartenbausysteme, die neben der Nahrungsmittelproduktion auch zu Klimaanpassung, Biodiversität und sozialen Funktionen in Städten beitragen.

Klimafolgenforschung und Anpassungsstrategien

Das PIK modelliert globale und regionale Klimawandelauswirkungen auf Landwirtschaft und Ernährungssysteme. Durch Integration von Klima-, Pflanzen- und ökonomischen Modellen werden Risiken für die Ernährungssicherheit quantifiziert und Anpassungsstrategien entwickelt. KI-gestützte Ansätze ermöglichen digitale Zwillinge von Agrarlandschaften (PIK, ZALF), die verschiedene Klimaszenarien und Managementoptionen simulieren und evidenzbasierte Politikberatung ermöglichen und am ATB als neue Anbauprinzipien technisch umgesetzt werden.

Prof. Dr. Barbara Sturm
Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB)
director(at)atb-potsdam.de

Prof. Dr. Frank Ewert
Leibniz-Zentrum für Agrarlandschaftsforschung (ZALF)
Frank.Ewert@zalf.de

Die Hightech Agenda Deutschland strebt an, deutsche Unternehmen zu Weltmarktführern bei Fusionstechnologien zu machen. Leibniz-Institute entwickeln entlang der gesamten Wertschöpfungskette technologische Lösungen, die sowohl die Magnetfusion als auch die Laserfusion voranbringen. Die Expertise erstreckt sich von der Grundlagenforschung (Technologiereifegrad (TRL) 1) bis zu den Prototypen (TRL 6), in einigen Fällen werden sogar qualifizierte Systeme im Einsatz erprobt (TRL 9), und zielt damit direkt auf die wirtschaftliche Verwertbarkeit ab.

Hochleistungslaser für die Laserfusion

Die Laserfusion – als komplementärer Ansatz zur Magnetfusion – erfordert Lasersysteme mit bisher unerreichter Effizienz, Leistung und Betriebssicherheit. Die HTAD identifiziert fehlende Forschungsinfrastrukturen im Bereich der Laserfusion als zentrale Schwäche. Zwei Leibniz-Institute adressieren diese Lücke mit komplementären Kompetenzen entlang der optischen Wertschöpfungskette.

Das FBH entwickelt maßgeschneiderte Diodenlaser höchster Leistung, Effizienz und Strahlgüte für die Laserfusion. Die Expertise reicht von der Grundlagenforschung bis zu Plug-&-Play-Systemen. Die Entwicklungen umfassen innovative Multi-Junction gitterstabilisierte Technologien, gepulste Lasertreiber für Fusionsanwendungen sowie die Untersuchung neuer Diodenlaser-Konzepte – den Photonic Crystal Surface Emitting Laser. Zuverlässigkeitsstudien bis zu multi-Kiloampere- und multi-Kilowatt-Betrieb, Designkonzepte zur Kostensenkung durch Leistungsskalierung sowie KI-basierte Defekterkennung und In-Situ-Prozessmetrologie zur Ausbeutesteigung runden das Portfolio ab.

Das IKZ liefert die kritische Kristallbasis für Hochleistungslaser. Die Forschung erstreckt sich von der Grundlagenforschung über vorkommerzielles Prototyping (TRL 1–7) bis zum Kristallservice für industrielle Partner. Spezifisch für die Laserfusion entwickelt das IKZ Laserkristalle auf Basis von Fluoridkristallen als Verstärkermedium sowie Faraday-Rotatoren für Hochleistungslaser, die als optische Isolatoren Rückreflexionen verhindern und Laserschäden vermeiden. Das IKZ ist in Europa das einzige Institut mit dieser skalierbaren Basistechnologie. Die Substitutionsforschung für kritische Materialien (Germanium, Gallium, Seltene Erden) stärkt die Technologiesouveränität und Resilienz der Lieferketten – ein explizites Ziel der HTAD. Die Kombination aus Materialcharakterisierung und KI- bzw. Machine-Learning-gestützter Anlagenoptimierung ermöglicht dabei beschleunigte Entwicklungszyklen.

Hochpräzisionsoptiken für extreme Bedingungen

Sowohl Magnet- als auch Laserfusion erfordern optische Komponenten mit extremer Präzision unter härtesten Bedingungen – Neutronenbestrahlung, Plasmastrahlung, Hochvakuum sowie hohe thermische Lasten. Das IOM verfügt über Expertise in der nichtthermischen Modifizierung optischer Oberflächen und oberflächennaher Bereiche. Die Ionenstrahl-Technologien ermöglichen Formgebung, Mikro- und Nanostrukturierung sowie Glättung bis zum sub-Nanometerbereich für hochpräzise Optiken als wesentliche Elemente in Laser-Fusionsreaktoren. Das IOM ist als Partner im Netzwerk SaxFusion eingebunden und forscht an entsprechenden Optiken für Fusionsanwendungen. Diese regionale Vernetzung schafft Synergien mit universitären und industriellen Partnern in Sachsen – einem der Schwerpunktstandorte für Fusionsforschung in Deutschland.

Ergänzend forscht das IOM über das Permeationsverhalten von Gasen in funktionalen Schichten sowie strahlenassistierte Herstellungsprozesse von Membran- und Barrierematerialien. Diese Kompetenzen sind für das Tritium-Handling und Gasmanagement in Fusionsreaktoren relevant. Zudem entwickelt das IOM Designprinzipien für verbesserte Energiespeichermaterialien und -systeme, insbesondere Hochleistungs-Superkondensatoren mit hoher Energiedichte und schneller Ladefähigkeit – Technologien, die für die gepulste Energieversorgung von Fusionsanlagen von Bedeutung sein können.

Strahlungsresistente Werkstoffe für Fusionsreaktoren

Die extremen Bedingungen in Fusionsreaktoren stellen höchste Anforderungen an Materialien, insbesondere an der ersten Wand und in Blanket-Komponenten. Das IWT bietet interdisziplinäre Forschung entlang der gesamten Prozesskette für Metalle – vom Werkstoffdesign bis zum geprüften Bauteil. Die Expertise umfasst konventionelle und additive Werkstoffherstellung, thermochemische, thermische und elektrothermische Wärmebehandlung sowie umfassende Werkstoffprüfung (mechanisch, mikroskopisch, röntgenographisch).

Damit liefert es wichtige Beiträge zu Fusionswerkstoffen: Gitterdefekte und Seigerungen von Legierungselementen führen zu strahlungsinduzierten Verschlechterungen der mechanischen Eigenschaften, beispielsweise in Niedrigaktivierungsstählen und Hochentropielegierungen für Blanket-Komponenten. Das IWT untersucht diese Phänomene, um das Risiko eines vorzeitigen Versagens durch den Neutronenfluss zu minimieren. Die Arbeiten adressieren das Werkstoffverhalten unter der Kombination aus starker Bestrahlung, hohen Temperaturen, mechanischen Belastungen sowie chemischen und korrosiven Einflüssen. Das Institut entwickelt zukunftsweisende Material-Strukturen für die hybride Fertigung strahlungsresistenter Komponenten im Dauerbetrieb. Die skalenübergreifende Simulation „vom Atom bis zum Bauteil" unter Einsatz von KI ermöglicht beschleunigte Entwicklungszyklen und reduziert den Bedarf an aufwändigen Bestrahlungsexperimenten.

Prof. Dr. Benjamin Dietzek-Ivanšić
Leibniz-Institut für Oberflächenmodifizierung (IOM)
benjamin.dietzek-ivansic(at)iom-leipzig.de

Prof. Dr. Thomas Schröder
Leibniz-Institut für Kristallzüchtung (IKZ)
thomas.schroeder(at)ikz-berlin.de

Das INM entwickelt hochleistungsfähige Batteriematerialien mit hoher Energiespeicher-Kapazität für erhöhte Reichweiten sowie nachhaltige Elektroden auf Basis umweltfreundlicher Ausgangsstoffe (Eisen, Kohlenstoff, Natrium). Das Alleinstellungsmerkmal des integrierten Recycling-Ansatzes berücksichtigt Design-for-Recycling-Prinzipien bereits bei der Batteriekonzeption. Das INM erforscht partikuläres Zerlegen und umweltfreundliche hydro-metallurgische Recycling-Methoden mit reduziertem Chemikalienbedarf.

Das IKZ liefert kritische Materialien für Leistungselektronik: Ultra-Wide-Band-Gap-Kristalle (Aluminiumnitrid, Galliumoxid, Germaniumdioxid) ermöglichen effizientere Batteriemanagement- und Lade-Systeme mit geringeren Verlusten. Mit dem Ziel, kritische Rohstoffe (Germanium, Gallium, Seltene Erden) zu ersetzen, stärkt die Substitutionsforschung die Technologiesouveränität in Deutschland. KI bzw. Machine-Learning-gestützte Prozessoptimierung beschleunigt Entwicklungszyklen (TRL 1–7). Das PDI erarbeitet neue Bauteilkonzepte, das FBH ist mit Technologie-Entwicklung in der Leistungselektronik beteiligt.

Das IWT erzeugt metallische und keramische Nanopartikel für Batteriematerialien und Brennstoffzellen. Die verfahrenstechnische Expertise (Nanometer- bis Millimeter-Maßstab) ist für Elektrodenmaterialien mit optimierter Mikrostruktur relevant. Das IVW entwickelt besonders leichte Gehäuse für Hochvoltspeicher in Faserverbundbauweise. Das IPF entwickelt Hybrid-Polymerfolien als Ladungskollektoren/Durchleiterfolien für bipolare Lithium-Ionen und Lithium-Schwefel Batterien.

Ziel 2: Deutschland als F&E-Standort für alternative Antriebe und klimafreundliche Kraftstoffe

Das LIKAT entwickelt Katalysatoren für die chemische Speicherung und Umwandlung von Wasserstoff, insbesondere in den Power-to-X-Technologien, durch die Synthese von Methanol und E-Fuels sowie die Wasserstofferzeugung aus erneuerbaren Rohstoffen wie Biomasse und Bioethanol. Das Institut ist mit seinem Power-to-X-Transfertechnikum an der Forschungsfabrik Wasserstoff Mecklenburg-Vorpommern beteiligt und arbeitet daran, die Katalysatorentwicklung vom Labor bis zur industriellen Serienproduktion zu skalieren.

Das INP leistet durch die Entwicklung der Plasmalyse ebenfalls substanzielle Beiträge als Partner der Forschungsfabrik Wasserstoff Mecklenburg-Vorpommern. Im Fokus steht eine Wasserstofftechnologie, die weniger elektrische Energie benötigt und gleichzeitig elementaren Kohlenstoff als verwertbares Nebenprodukt erzeugt. Im WIR!-Bündnis biogeniV entwickelt das INP plasmabasierte Carbon Capture Utilization (CCU)/Power-to-X-Bausteine zur Verknüpfung biogenen CO₂ mit erneuerbarem Strom, u. a. für grünes Methanol bzw. E-Fuel-Vorketten und trägt damit zur Skalierung von CCU-Technologien bei.

Das IWT forscht an Prozessen für die Synthese von Metallsulfiden und ermöglicht die Herstellung von Materialien für Photokatalyse, Solarenergie und Wasserspaltung. Zudem entwickelt das Institut Stahl-, Aluminium- und Titanlegierungen für Hochdruck-Wasserstoffspeicher mit Leichtbaupotenzial bei hoher Druckfestigkeit und Wasserstoffbeständigkeit. Das IVW entwickelt integrale Wasserstoffspeicher in Faserverbundbauweise für Drohnen und Luftfahrzeuge mit deutlicher Gewichtsreduktion bei struktureller Integrität. Das IPF entwickelt eine Technologieplattform für Wasserstoffspeicher in mobilen Anwendungen auf Basis von Faserverbundkunststoffen.

Luftfahrtforschung: Leichtbau für Emissionsreduktion

Das IVW verfügt über langjährige Erfahrung in Faserverbundstrukturen bis zum geprüften 1:1-Bauteil. Es zeichnet sich durch wertvolle und substanzielle Beiträge zum Luftfahrtforschungsprogramm aus: Auslegung, Optimierung, Fertigung und Test von Primär- und Sekundärstrukturen für Luftfahrzeuge, funktionsintegrierte schadenstolerante Strukturen, morphende Strukturen. Die Kombination aus Werkstoffwissenschaft, Digitalisierung (KI, Machine Learning) und skalenübergreifender Simulation reduziert Entwicklungs- und Fertigungsaufwände signifikant. Eine neue Polymerchemie-Abteilung erforscht chemisches Polymerrecycling und nachwachsende Rohstoffe.

Das IWT verfügt über langjährige Erfahrung im metallischen Leichtbau für die Luft- und Raumfahrt, insbesondere in zahlreichen Kooperationen mit Airbus über das Luftfahrtforschungsprogramm von der Entwicklung neuer Werkstoffe bis zum Testen von Strukturbauteilen. Im Bereich Ultra High Bypass Ratio-Technologie wurden mit Triebwerksherstellern vielversprechender Ansätze zur Reduktion der Emissionen von Flugtriebwerken und des Kraftstoffverbrauchs identifiziert.

Das IPF liefert im Bereich Tailored Lightweight Composites grundlegende Material- und Prozesstechnologien für den modernen Hochleistungsleichtbau in der Luft- und Raumfahrt und ist am Luftfahrtforschungsprogramm beteiligt.

Drohnen: Strukturen und Energiespeicher

Das IVW entwickelt Faserverbund-Strukturen und integrale Wasserstoffspeicher für Drohnen – ultraleichte Konstruktionen ermöglichen längere Flugzeiten und größere Nutzlasten für klimafreundliche urbane und regionale Anwendermärkte. Das IWT entwickelt metallische Werkstoffe für die (kryogene und Gasdruck-) Speicherung von Wasserstoff, um zukünftige emissionsfreie, wasserstoffbetriebene Fluggeräte (und somit auch leistungsstarke Drohnen) zu ermöglichen.

Das IWT bietet interdisziplinäre Forschung vom metallischen Werkstoffdesign bis zum geprüften Bauteil für den gesamten Verkehrsmittelbau. Über Leichtbaupotenziale durch hoch-feste Legierungen (Stähle, Aluminium, Titan) und bionisches Design in additiver Fertigung werden Ressourceneinsparungen (Material, Energie) realisiert. Die am Institut erforschten skalenübergreifende KI-gestützte Simulationen vom Atom bis zum Bauteil werden zukünftig eine beschleunigte Entwicklung auch unter sich immer schneller verändernden Randbe-dingungen ermöglichen.

Das IVW entwickelt neue Recyclingtechnologien für Faserverbundwerkstoffe und adressiert so die Wiederverwertung von Fahrzeugkomponenten, die bisher thermisch verwertet oder deponiert werden. Das IPF erforscht thermoreversibel vernetzte Elastomere als kreislauffähige Reifenwerkstoffe.

Prof. Dr.-Ing. Ulf Breuer
Leibniz-Institut für Verbundwerkstoffe (IVW)
ulf.breuer@leibniz-ivw.de

Prof. Dr.-Ing. habil. Rainer Fechte-Heinen
Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien (IWT)
fechte(at)iwt-bremen.de