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| Wie Darmstadt Zentrum der Schwerionenphysik wurde |
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Wie Darmstadt Zentrum der Schwerionenphysik wurde
Am Anfang stand das
Zusammentreffen zweier glücklicher Umstände, einerseits die Entwicklung
eines neuen Beschleunigertyps und andererseits das Bestreben hessischer
Hochschullehrer ein gemeinsames Zentrum für die universitäre Forschung
einzurichten. Es wurde daraus ein Forschungszentrum von internationalem
Rang, das heute von mehr als 1000 Wissenschaftlern aus Hochschulen und
Forschungseinrichtungen des In- und Auslands genutzt wird. Dabei sind
die hier behandelten fundamentalen Fragen in diesen 25 Jahren
keineswegs weniger geworden.
Die GSI in Darmstadt als Zentrum
der Schwerionenphysik in Deutschland verdankt ihre Entstehung zwei
Entwicklungen, die sich zunächst unabhängig voneinander vollzogen,
deren Zusammenwirken aber die Voraussetzung dafür war, daß die
Gesellschaft für Schwerionenforschung das werden konnte, was sie heute
ist. Es waren dies einerseits die Entwicklung eines neuartigen
Beschleunigertyps und andererseits das Bestreben, für zukunftsweisende
physikalische Forschung der Hochschulen ein zentrales Laboratorium
einzurichten.
Hessische Hochschullehrer gründeten 1966 die
Kernphysikalische Arbeitsgemeinschaft Hessen (KAH) mit dem Ziel, für
die physikalischen Institute der hessischen Hochschulen ein zentrales
Beschleunigerlaboratorium zu errichten. Es sollte im Sinne der Einheit
von Forschung und Lehre sowohl der Forschung an einer herausragenden
Einrichtung als auch der Ausbildung von Studenten nach einem neuen
Konzept dienen. Nach der damals üblichen Praxis »jedem Institut seinen
eigenen Beschleuniger« waren seit Mitte der 50er Jahre in der
Bundesrepublik an die 20 Beschleuniger kleiner bis mittlerer Größe -
Tandems, Zyklotrons, van-de-Graaffs und Elektronen-Linacs - errichtet
worden. Als nun in Marburg und Frankfurt ein Ausbau mit neuen
Beschleunigeranlagen anstand, war es ein mutiger und vorausschauender
Schritt von Wilhelm Walcher, Erwin Schopper und Peter Brix, unter
Zurückstellung eigener lokaler Interessen ein gemeinsames Zentrum mit
einem entsprechend leistungsfähigeren Beschleuniger anzustreben.
Am Anfang dieses Vorhabens galt es, sich auf ein tragfähiges
und zukunftsweisendes Forschungsgebiet zu einigen. Nach eingehenden
Diskussionen und Recherchen kristallisierten sich zwei Alternativen
heraus, einerseits die Schwerionenphysik bei zunächst niedrigen
Energien und andererseits die Mittelenergiephysik, also Untersuchungen
elementarer Prozesse bei vergleichsweise höheren Energien. Daraus
ergaben sich Konsequenzen für die Wahl des Beschleunigers, die in einem
1966 vorgelegten Memorandum vorgestellt wurden. Bereits seit Beginn der
60er Jahre war in Deutschland Schwerionen-Kernphysik am
Tandem-Beschleuniger des Heidelberger Max-Planck-Instituts für
Kernphysik betrieben worden. Mit der Berufung von Rudolf Bock nach
Marburg 1965 gelangte dieses Arbeitsgebiet auch in die KAH, so daß
dort, zusammen mit der Frankfurter Theoriegruppe um Walter Greiner,
auch ein personelles Forschungspotential auf dem Gebiet der
Schwerionenphysik zur Verfügung stand.
Als wissenschaftliches Ziel akzeptiert
Darüber
hinaus gab es in den umliegenden Universitäten viele experimentelle und
apparative Entwicklungen, die für die Schwerionenforschung relevant
waren: Massenseparatoren in Gießen und Marburg, Detektorentwicklungen
in Frankfurt, Heidelberg und Marburg, kernchemische Verfahren in
Darmstadt, Mainz und Marburg. Sie konnten zu einer vielseitigen
Gestaltung des wissenschaftlichen Programms beitragen, und so wurde die
Schwerionenphysik schon bald als das wissenschaftliche Ziel des neuen
Zentrums allgemein akzeptiert.
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Der UNILAC, dessen prinzipiellen Aufbau Christoph Schmelzer schon Ende
der 50er Jahre ersonnen hatte, war eine wesentliche Voraussetzung für
die Gründung der Gesellschaft für Schwerionenforschung in Darmstadt.
Später wurde Prof. Schmelzer der erste Wissenschaftliche
Geschäftsführer der GSI. Dieses Bild entstand 1978. |
Die zweite Wurzel der GSI, die der
Beschleunigerentwicklung, reicht noch weiter zurück. Christoph
Schmelzer hatte schon Ende der 50er Jahre, damals arbeitete er in Genf
an der Entwicklung des CERN-Protonensynchrotrons, über mögliche
Konzepte eines Linearbeschleunigers für Ionen bis hinauf zum Uran
nachgedacht. Damit war er seiner Zeit weit voraus, denn damals sah man
schon Ionen von Kohlenstoff und Sauerstoff als »schwer« an. Nach seiner
Berufung an die Universität Heidelberg betrieb Schmelzer die
Entwicklung dieses Beschleunigers systematisch. Sein UNILAC (für
UNIversal Linear ACcelerator) sollte ein Hochfrequenz-Beschleuniger mit
variabler Energie sein und Ionen aller Elemente auf Energien oberhalb
der Coulombschwelle beschleunigen können. In einer »Beschleunigerwelt«
der Tandems und Zyklotrons, die man damals fast von der Stange kaufen
konnte, war dies ein kühnes und weitblickendes Unterfangen.
In einer vom damaligen Bundesministerium für
wissenschaftliche Forschung (BMwF) finanzierten Studiengruppe der
Heidelberger Universität, die sich 1963 auf dem Gelände des
Max-Planck-Instituts für Kernphysik etabliert hatte, wurden die
UNILAC-Entwicklungsarbeiten auf breiter Basis angegangen. Dazu gehörten
die Entwicklung von Hochfrequenzstrukturen und Ionenquellen sowie
technologische Entwicklungen. Mit Experimenten am Tandem-Beschleuniger
des Max-Planck-Instituts wurden die für die Konstruktion des UNILACs
unentbehrlichen Parameter wie beispielsweise die
Ionen-Umladungsquerschnitte oder die Ladungsverteilungen nach Durchgang
durch Folien und Gase bestimmt.
Nachdem Christoph Schmelzer 1967 für das Projekt der KAH
gewonnen werden konnte, hatte man sich auch schnell auf den UNILAC als
den zu bauenden Beschleuniger geeinigt, was im Juli 1968 in einem
zweiten Memorandum dokumentiert wurde. Mit der Größe der Aufgaben
wuchsen aber auch neue Einsichten. Die ursprünglich nur auf Hessen
beschränkte KAH hatte sich inzwischen auf Heidelberg und Mainz
ausgedehnt, und das Projekt war schnell über eine nur vom Land Hessen
zu finanzierende Einrichtung hinausgewachsen. Es war jetzt das Ziel,
für dieses Laboratorium neben dem Land den Bund als Finanzierungsträger
zu gewinnen, es - ähnlich wie DESY in Hamburg seit 1959 - als eine
Großforschungseinrichtung zu errichten und zu betreiben.
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Bei der Entscheidung über den Standort des neuen Zentrums fiel die Wahl
schließlich auf ein im Norden von Darmstadt gelegenes unerschlossenes
feuchtes Waldgebiet. So mußten - im März 1971 - erst einmal Bäume
gerodet werden, ehe die Wissenschaft Einzug halten konnte. |
Bezüglich des personellen Umfangs dachte
man damals an etwa 330 Mitarbeiter. Sie wurden für den Betrieb des
Beschleunigers und die Betreuung der wissenschaftlichen Anlagen
benötigt, sollten aber in gewissem Umfang auch eigene Forschung
betreiben. Der größere Teil der Forschung, etwa zwei Drittel, sollte
jedoch personell durch die Hochschulen abgedeckt werden, in der
Mehrheit durch Doktoranden. Bezüglich des Standorts wurde aus einer
Anzahl von Vorschlägen schließlich der heutige Sitz im Norden von
Darmstadt, ein damals unerschlossenes feuchtes Waldgebiet ausgewählt.
Gewisse Turbulenzen kamen Ende 1968 auf, als sich auch das
Kernforschungszentrum Karlsruhe überraschend um den UNILAC bewarb.
Während man auf der Beschleunigerseite dieser Bewerbung aufgeschlossen
gegenüberstand, regte sich auf der Hochschulseite entschiedener
Widerstand. Die großen Kernforschungszentren agierten damals nicht
gerade benutzerfreundlich. Statt Stacheldrahtzaun, Ausweiskontrolle und
Einbindung in eine »projekt-gewohnte« Verwaltung waren die Ideale der
hessischen Nutzer Hochschulnähe - auch in der Organisation des Labors
-, freie Zugänglichkeit für Studenten und Unabhängigkeit von
verkrusteten Strukturen. Genau dies konnte später in Darmstadt bei der
GSI auch weitgehend realisiert werden.
Eine andere Konsequenz dieses Abwerbungsversuchs war, daß nun
auch ein an der Universität Frankfurt entwickeltes, durchaus
originelles, mit wendelförmigen Resonatoren arbeitendes
Beschleunigerkonzept in die Argumentation beider Lager mit einbezogen
wurde. Daraus wurde zwar nichts, doch die Diskussion »Wendel kontra
konventionelle Beschleunigerstrukturen« sollte die GSI auch nach ihrer
Gründung noch einige Zeit beschäftigen.
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Nach dem Vorbild von DESY in Hamburg trat an die Spitze der GSI ein
fünfköpfiges Leitungsgremium, das Wissenschaftliche Direktorium. Die
Aufnahme entstand im Februar 1971 und zeigt vier Direktoriumsmitglieder
- von links nach rechts Prof. Rudolf Bock, Prof. Peter Brix, Prof.
Christoph Schmelzer und den kaufmännischen Geschäftsführer Hans Otto
Schuff - im Gespräch mit Baudirektor Flöter von der Oberfinanzdirektion
Wiesbaden. |
Ohne den engagierten Einsatz des Landes
Hessen wäre das neue Zentrum in der ursprünglich konzipierten Form
nicht zustande gekommen. So war Hessen bereit, die (gegenüber dem
Karlsruher Zentrum) standortbedingten Mehrkosten aufzubringen. Statt
dem bei den Großforschungseinrichtungen üblichen Finanzierungsschlüssel
von 10 zu 90% zwischen Sitzland und Bund bot Hessen eine Quote von 20
zu 80% für die Zeit der Bauphase an.
Die formelle Gründung als »Gesellschaft für
Schwerionenforschung« erfolgte am 17. Dezember 1969 in der Rechtsform
einer GmbH und als Großforschungseinrichtung des Bundes und der Länder
mit einem fünfköpfigen Leitungsgremium, dem Wissenschaftlichen
Direktorium, an der Spitze.
Damit waren sowohl für die wissenschaftlichen als auch für
die hochschulpolitischen Ziele günstige Rahmenbedingungen geschaffen.
In der Beschleunigerfrage fiel 1971 nach vielen Gremien- und
Gutachtersitzungen die endgültige Wahl auf den UNILAC. Die gesamte
Konstruktionsarbeit und Projektkoordinierung waren dann Aufgabe der
GSI. Dabei konnte die Bestellung der Komponenten dank der Heidelberger
Vorarbeiten schnell auf den Weg gebracht werden.
Großzügige Finanzierung der Hochschulgruppen
Im
Sinne der von den Gründern geplanten Hochschulnähe wurden die
Hochschulgruppen schon in der Planungsphase intensiv in die
Vorbereitung von Experimenten mit einbezogen. Nach einem neuen
Finanzierungsmodell - später als GSI-Modell bekannt - wurde in den
Haushaltsplan der GSI ein großzügig ausgestatteter Titel eingestellt,
aus dem die Hochschulgruppen Mittel für die Entwicklung von Apparaten
und Methoden, aber auch Personalmittel, bekommen sollten. Dieser Titel
betrug anfänglich über 70% der GSI-internen Forschungsmittel und liegt
heute noch bei etwa 30%. Er ermöglichte eine schnelle Aktivierung der
Hochschulgruppen bei der Realisierung des breit angelegten
Forschungsprogramms.
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Im Juni 1973 war es so weit, daß man unter lebhafter Beteiligung der künftigen Nutzer Richtfest feiern konnte. |
Bei den Forschungsthemen stand die Suche
nach superschweren Elementen als symbolhaftes Ziel natürlich von Anfang
an im Vordergrund, doch das Forschungsprogramm wies auch darüber hinaus
eine Fülle interessanter Themen auf: Fragen der Kernreaktionsphysik,
der Kernstruktur, der Atomphysik, der Kernchemie sowie Vorstöße in
Neuland versprechende Anwendungen. Die umliegenden Hochschulen
beteiligten sich sehr engagiert, und in enger Zusammenarbeit wurden die
ersten 15 Meßplätze gemeinsam konzipiert und aufgebaut.
Als der UNILAC im November 1975 nach nur vierjähriger Bauzeit
den ersten Schwerionenstrahl lieferte, war auch ein Teil der
Experimentaufbauten schon fertiggestellt. Die Konditionierung des
Beschleunigers, die Verbesserung der Strahlqualität und die Entwicklung
der Quellen für das breite Spektrum gewünschter Ionen waren dann noch
weitere Herausforderungen. Sie nahmen die Beschleunigermannschaft in
den folgenden Jahren ganz in Anspruch, aber bereits im April 1976
konnte weltweit zum ersten Mal Uran beschleunigt werden - ein
Meilenstein in der Geschichte der GSI.
Aus den anfänglich geplanten 330 Mitarbeitern waren
inzwischen etwa 450 geworden, aber immer noch zu wenig für die
wesentlich erweiterten Aufgaben des neuen Laboratoriums. Die
Forschungsförderung des Bundes hatte damals die Grenzen des Wachstums
erreicht, nur leider lange bevor die Infrastruktur der GSI ausreichend
ausgebaut war. Insbesondere bei der späteren Erweiterung der
Beschleunigeranlage wurde dies zu einem sehr ernsten Problem. An der
ständig wachsenden Zahl der Nutzer, der erfreulichen Resonanz bei den
Hochschulen und an dem steigenden Interesse, auch über die Grenzen der
Bundesrepublik hinaus, ließ sich aber erkennen, daß die GSI als Zentrum
der Schwerionenforschung akzeptiert war.
Der Aufbruch in eine neue Phase der GSI - und gleichzeitig in
eine neue Ära der Kernphysik - begann schon 1974, noch bevor der UNILAC
seinen ersten Strahl geliefert hatte. Motiviert war dieser Aufbruch
durch den Wunsch, Kernmaterie bei hoher Dichte und Temperatur und deren
astrophysikalische Bedeutung im Zusammenhang mit Supernova-Explosionen
und Neutronensternen zu untersuchen. Hierzu gehören eine ganze Anzahl
von interessanten Phänomenen, die im Schwerionenstoß bei hohen Energien
auftreten: kooperative Effekte, sogenannte Delta-Materie und exotische
Nuklide. Auch Anwendungen in Medizin und Materialforschung wurden
diskutiert.
Kernpunkt dieser Diskussionen war aber doch die nukleare
Zustandsgleichung mit der von den Theoretikern genährten Hoffnung,
einen Phasenübergang zu einem neuen Zustand nuklearer Materie zu
entdecken, der Quark-Materie. Nach damaligem Erkenntnisstand war eine
Kompression von Kernmaterie, wenn überhaupt, nur im Stoß schwerer Kerne
und nur bei relativistischen Energien zu erreichen. Das Ziel war also
der Einstieg in den gegenüber dem UNILAC 100mal höheren,
»relativistischen« Energiebereich, wo die Ionen bei der Beschleunigung
nahezu Lichtgeschwindigkeit erreichen.
Im Lawrence Berkeley Laboratory (LBL) in Kalifornien war zu
dieser Zeit durch die Kopplung zweier Maschinen, des Super HILAC und
des alten Bevatrons, ein Beschleuniger für schwere Ionen, der BEVALAC,
kurz vor der Fertigstellung. Bei der GSI wurde damals beschlossen, sich
im Hinblick auf die eigenen Erweiterungspläne an den Untersuchungen
dieses Pilotprojekts zu beteiligen. So begann im Herbst 1974 am BEVALAC
eine gemeinsame GSI/LBL-Gruppe mit ihren Experimenten.
Aufbruch zu höheren Energien
1976 legte die GSI
dann einen neuen Projektvorschlag für den Einstieg in dieses neue
Gebiet vor. Es ging dabei um die Errichtung eines
Schwerionen-Synchrotrons (SIS) mit einer Beschleunigungsenergie von 1
GeV pro Nukleon und dem UNILAC als Injektor. Die Experimente am
BEVALAC, an denen die GSI mit Engagement und Erfolg beteiligt war,
hatten jedoch erkennen lassen, daß man für die Untersuchung der
Kernmaterie bei höchsten Dichten und für den Übergang in Quark-Materie
wesentlich höhere Energien benötigen würde. Von der
GSI-Beschleunigergruppe wurden deshalb auch andere Szenarien
entwickelt. Insbesondere wurde eine Zwei-Ring-Maschine mit einer
Endenergie für Uran von 10 GeV pro Nukleon auf Realisierbarkeit und
Kosten untersucht.
Von 1978 bis 1983 erfuhren diese Ausbaupläne viele
Änderungen, wobei ein Dilemma dieser Jahre die divergierenden
Strahlanforderungen zweier Nutzergemeinden waren: Die Initiatoren der
Kernmaterie-Physik wollten die höchstmöglichen Energien, die übrigen
dagegen hohe Strahlintensität bei moderater Energie. Die Lösung dieses
Dilemmas gelang schließlich auf ganz andere Weise.
Das Beschleuniger-Szenarium des CERN war - im Prinzip - zur
Beschleunigung schwerer Ionen auf hohe Energien hervorragend geeignet.
Es fehlte nur der geeignete Injektor und zunächst auch die Akzeptanz
solcher Experimente bei den Teilchenphysikern. Nach fast zweijährigen
Diskussionen und hartnäckigen Verhandlungen mit dem CERN kam es im
August 1983 schließlich zu einer Vereinbarung, die am CERN den Weg in
die Schwerionenphysik eröffnete. Die GSI und das LBL übernahmen
gemeinsam die Entwicklung eines Injektors für zunächst relativ leichte
Ionen wie Sauerstoff und Schwefel, ein bescheidener Anfang zwar, doch
mit weitreichenden Folgen. Bei der GSI aber war damit der Weg frei für
die kleine Maschine.
Hinzu kam die Idee, den Schwerionenstrahl zu kühlen. Seit
1982 war bei der GSI ein bescheidener Kühlerring, SITAR genannt,
projektiert worden mit dem Ziel, Maschinenexperimente im Zusammenhang
mit dem bei der GSI laufenden Forschungsprogramm »Trägheitsfusion mit
Schwerionenstrahlen« durchzuführen. Die Kühlung schwerer Ionen war
damals neu, aber die Kern- und Atomphysiker erkannten bald die Chance,
die ihnen die Strahlkühlung bot.
Die zweite Sternstunde nach der UNILAC-Entscheidung
Unter dem neuen Wissenschaftlichen Geschäftsführer der GSI, Prof. Paul
Kienle, gelang es, diesen Aspekt in einen neuen Ausbauvorschlag - den
später realisierten - und in ein entsprechend erweitertes
Forschungsprogramm einzubinden. Damit war das SIS/ ESR-Projekt geboren
- sehr zur Erleichterung der Gremien und der Nutzer. Nach der
Entscheidung für den UNILAC war dies die zweite Sternstunde der GSI.
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In der zweiten Hälfte der 80er Jahre entstand unmittelbar neben den
bestehenden GSI-Gebäuden eine gewaltige Baustelle: die Erweiterung
durch das SIS/ESR-Projekt. Das Bild läßt im Hintergrund in Ansätzen den
Ringtunnel des künftigen Schwerionen-Synchrotrons erkennen. |
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Am 23. April 1990 fand unter Beteiligung von zahlreichen Gästen aus dem
In- und Ausland die feierliche Übergabe der SIS/ESR-Erweiterung in der
neuen Experimentierhalle statt. |
Nachdem der Hochenergieaspekt für den
künftigen Beschleuniger an Bedeutung verloren hatte, einigte man sich
schnell auf das ursprüngliche Konzept eines normalleitenden
Synchrotrons mit hoher Repetitionsrate und einer Endenergie für Uran
von 1,3 GeV pro Nukleon. Die Kühlung und Speicherung von schweren Ionen
war die neue Qualität. Hinzu kam die Möglichkeit, hohe
Strahlintensitäten zu erreichen. Damit wurde das neue Konzept von
größtem Interesse für die Erzeugung exotischer Kerne und für die
Schwerionen-Plasmaphysik. Der neue Projektvorschlag wurde 1984 den
Gremien vorgestellt und ein Jahr später von den Gesellschaftern
genehmigt. Das Projekt wurde im vorgesehenen Zeitplan realisiert und
1990 eingeweiht.
Die Forschungslandschaft der GSI erfuhr in dieser Zeit eine
wesentliche Bereicherung durch neue Forschungsthemen und eine neue
Generation von Experimentiereinrichtungen. Die Zahl der Nutzer stieg
unter Beteiligung von mehr als 25 deutschen Hochschulen und zahlreichen
internationalen Forschungslabors auf über 1000 an. Außerdem führte das
zu vielen neuen internationalen Kontakten. Vom Umfang her wurden die
Beschleunigeranlagen der GSI um mehr als das Doppelte erweitert, doch
leider blieb der Zuwachs an Personal minimal.
Kristallisationskeim für zwei große CERN-Kollaborationen
Die Hochenergiegruppe der GSI beim LBL in Berkeley wurde nach der
Beendigung dieses Projekts zum Kristallisationskeim für zwei große
Experiment-Kollaborationen am CERN. Durch die Initiative der GSI und
die tatkräftige Unterstützung vieler Kollegen wurden hier neue
Forschungsmöglichkeiten erschlossen, die viele weitere Gruppen anzogen.
Die Suche nach dem Quark-Gluon-Plasma ist hier weiterhin das
dominierende Ziel. Dazu wurde am CERN unter maßgeblicher Beteiligung
der GSI ein größerer, 1994 eingeweihter Injektor gebaut, der
»Blei-Injektor«. Er wird seit November 1994 intensiv für ein
Experimentierprogramm mit Blei-Strahlen am SPS genutzt und ist die
Voraussetzung dafür, daß einmal Blei-Ionen im »Large Hadron Collider«
(LHC) des CERN beschleunigt werden können, sobald dieser im kommenden
Jahrzehnt die weltweit höchstmöglichen Energien liefern wird.
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Der 85. Geburtstag von Christoph Schmelzer führte die vier
Wissenschaftlichen Geschäftsführer der GSI im Herbst 1994 bei einer
Veranstaltung der Universität Heidelberg, des Max-Planck-Instituts für
Kernphysik und der GSI zusammen (von links nach rechts: Prof.
Schmelzer, Prof. Gisbert zu Putlitz, Prof. Paul Kienle und der
gegenwärtige Amtsinhaber Prof. Hans Joachim Specht). |
Nach 25 Jahren Schwerionenforschung bei
der GSI unter vier Wissenschaftlichen Geschäftsführern sind die
fundamentalen Fragestellungen in der Kern- und Atomphysik nicht weniger
geworden, sondern haben beträchtlich zugenommen.
Die relativistische Schwerionenphysik vereinigt wieder
zunehmend die Interessen von Teilchen- und Kernphysikern. Außerdem gibt
es in der anwendungsorientierten Forschung eine Reihe wichtiger
Entwicklungen. Die Schwerionenforschung wurde zu einem
interdisziplinären Gebiet, das in der GSI ein integrierendes Zentrum
gefunden hat, sowohl für die Hochschulforschung als auch für die
internationale Zusammenarbeit.
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