Bouwstenen van materie en fundamenten van ruimte en tijd

Bouwstenen van materie en fundamenten van ruimte
en tijd
De afgelopen decennia is ons begrip van enerzijds de elementaire bouwstenen van
materie als anderzijds het universum spectaculair toegenomen. Dit leidt tot de
fascinerende vraag of bestaan, evolutie en structuur van ons gehele universum
begrepen kan worden in termen van zijn elementaire bouwstenen. Afzonderlijk
beschrijven de sterrenkunde en de elementaire deeltjesfysica de fenomenen van hun
domein op succesvolle wijze, ieder in een eigen paradigma en met urgente
wetenschappelijke vragen. Maar de ambitie om deze twee disciplines onder één
noemer samen te voegen en de verbintenis met de kosmologie te begrijpen geeft een
nieuwe dimensie aan de uitdagingen. Wat betekent het recent ontdekte Higgs deeltje
voor de evolutie van het heelal? Kunnen donkere materie en donkere energie worden
begrepen in termen van elementaire bouwstenen en wat is hun invloed op het ontstaan
en de evolutie van de grote-schaal structuur in het heelal? Ligt wiskundige symmetrie
en wellicht zelfs getaltheorie aan de basis van fundamentele theorieën over ruimte, tijd
en materie?
Om de vragen rondom het deeltjes-universum effectief te lijf te gaan zijn nu nieuwe
samenwerkingen nodig tussen deze disciplines, alsmede met de innovatieve industrie.
Hier liggen vooral kansen voor de astrodeeltjesfysica en de kosmologie, twee
multidisciplinaire velden die de deeltjesfysica en astronomie met elkaar verbinden.
Uitkomsten routeworkshop 22 maart jl.
Vragen binnen deze route
N120 - Kunnen we slimme materialen en constructies ontwerpen met
nieuwe geavanceerde eigenschappen?
Beschrijving:
Het ontwerp van nieuwe materialen kan een enorme invloed op ons leven en onze
leefomgeving hebben. Vanuit dit perspectief liggen er grote kansen voor bijvoorbeeld
responsieve, adaptieve, zelfherstellende, hoogontwikkelde, energiebesparende en
herbruikbare materialen. Ook is er behoefte aan materialen voor toepassingen onder
extreme omstandigheden, zoals in de ruimtevaart en voor deep sea mining. Om
dergelijke materialen te ontdekken, is een nieuwe ontwerpfilosofie nodig.
Voortschrijdend inzicht in nanostructuren, nanofabricage en instrumenten voor
nanokarakterisatie hebben engineering op kleine schaal mogelijk gemaakt.
Tegelijkertijd is de focus van de materiaalwetenschap verschoven naar functionele
materialen die een actieve functie vervullen. De uitdaging bestaat uit het combineren
van materiaalonderzoek op verschillende schaalgrootten met de zoektocht naar
actieve functies. Combinaties van geavanceerde computersimulaties en moderne
experimentele technieken kunnen helpen om materialen op de tekentafel te ontwerpen,
in plaats van proefondervindelijk te ontdekken.
Verbindend karakter:
De komende jaren zullen slimme materialen steeds belangrijker worden voor een
breed bereik aan technologieën, van geneeskunde tot informatica. De materialen van
de toekomst zullen voortkomen uit samenwerkingen tussen wetenschappers uit een
grote diversiteit aan expertisegebieden, zoals polymeren, composieten, halfgeleiders,
biomaterialen en zachte materialen. Het Nederlandse materialenonderzoek in
academische, toegepaste en publiek-private samenwerking staat internationaal zeer
hoog aangeschreven. De maatschappelijke en economische kansen zijn groot, zoals
onder andere kan worden opgemaakt uit de veelzijdige toepassingsmogelijkheden.
Vragenstellers noemen onder andere slimme ramen die reageren op licht,
zelfherstellende constructiematerialen, synthetische cellen, bio-elektronica die
compatibel is met het menselijk lichaam, materialen voor opwekking, opslag en
omzetting van energie, materialen die beschermen tegen ongelukken, aanvallen en
aanslagen, materialen voor zelf-assemblerende nanomachines, materialen voor
nieuwe geneesmiddelen, vouwbare oppervlakken die lichtgevend zijn of responsief, en
materialen die reageren op klimatologische prikkels. Nieuwe materialen vormen de
sleutel tot het beantwoorden van de grote maatschappelijke vragen op het gebied van
energie, mobiliteit, gebouwde omgeving, communicatie, gezondheid, veiligheid en
duurzaamheid, en zullen tot totaal onvoorziene producten in nog niet bestaande
markten leiden.
Onderzoeksagenda:
Materials Technology --> Kennisinstelling: TU/e
High Tech Materials --> Kennisinstelling: 3TU
Materiaalschaarste, hergebruik en nieuwe materialen --> Kennisinstelling:
Technologie­agenda
Nieuwe en oude materialen in de architectuur --> Kennisinstelling: Amsterdamse
Hogeschool voor de kunsten
Fontys HTSM Center of Expertise “Productietechniek en materialen” -->
Kennisinstelling: Fontys Hogescholen
Biomoleculaire systemen --> Kennisinstelling: AMOLF
Flexible & Free-form products --> Kennisinstelling: TNO
Smart materials --> Kennisinstelling: TUD
Sustainability --> Kennisinstelling: UU
Sustainable World --> Kennisinstelling: UvA
Human Health --> Kennisinstelling: UvA
Quality of Life --> Kennisinstelling: UM
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Molecules & materials --> Kennisinstelling: RUN
Kenniscentrum Zorginnovatie --> Kennisinstelling: Hogeschool Rotterdam
CoE RDM --> Kennisinstelling: Hogeschool Rotterdam
Innovation in health strategy and quality of care --> Kennisinstelling: LUMC
Kenniscentrum Duurzame Havenstad --> Kennisinstelling: Hogeschool Rotterdam
Advanced Materials --> Kennisinstelling: RUG
Molecular Life & Health --> Kennisinstelling: RUG
Human wellbeing & biomedical materials --> Kennisinstelling: RUG
Centre for sustainability --> Kennisinstelling: Leiden-Delft-Erasmus
Medical Delta --> Kennisinstelling: Leiden-Delft-Erasmus
TechForFuture --> Kennisinstelling: Saxion
Regen­erative medicine & stem cells --> Kennisinstelling: UMCU
Bionanoscience --> Kennisinstelling: TUD
Beleidsagenda
Duurzame energie --> Maatschappelijke organisatie: NWO
Climate action, environment, resource efficiency and raw materials -->
Maatschappelijke organisatie: Horizon 2020
Nanotechnology --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
High tech materials --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Printing --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Components and circuits --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Smart Industry --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
N124 - Hoe slaan we de brug tussen verschillende schalen bij het
modelleren van dynamische systemen, zoals stromingen van en in
vloeistoffen en gassen?
Beschrijving:
Onze omgeving bestaat uit vaste, vloeibare en gasvormige stoffen. Op de kleinste
schalen wordt het gedrag van deze stoffen gesimuleerd met moleculaire dynamica, die
uitgaat van de individuele moleculen. Op de grote schalen worden juist
continuümmodellen gebruikt die een stof als één geheel modelleren. In veel praktische
vraagstukken zijn echter meerdere schalen tegelijkertijd van groot belang.
Vraagstukken op een enkele schaal kunnen óf met een continuümmodel óf met een
deeltjesmodel opgelost worden. Voor multi-scale systemen is een nieuwe combinatie
van zulke methoden vereist.
Een beter begrip van stromingen is van belang binnen zeer uiteenlopende
toepassingsgebieden. Voorbeelden zijn weersvoorspelling, droogprocessen in de
industrie, getijden en voorspelling van hoogwater, koeling van micro-elektronica,
aerodynamica van vliegtuigen, verspreiding van verontreinigingen in lucht en water en
geluidsoverlast.
Verbindend karakter:
Inter- en multidisciplinaire bijdragen van academische en industriële wetenschappers
met gevarieerde achtergronden zoals fysica, engineering, wiskunde en informatica zijn
nodig om uitdagingen voor de toekomst aan te pakken. Multi-scale modelleren is van
groot belang voor een veelheid van maatschappelijk en industrieel uiterst relevante
toepassingen. Maatschappelijk relevante uitdagingen zijn onder andere: voorspelling
van natuurrampen en de impact ervan, beter begrip van ingrepen in ecosystemen, en
inzicht in grootschalige weersystemen en klimaatmodellen. Binnen de industrie gaat
het onder andere om het begrijpen van turbulentie, vrije oppervlaktes en scheidingen,
grote gradiënten, mengsels waarin stoffen in vaste, vloeibare en gasvorm voorkomen,
interacties tussen vloeistoffen en deeltjes, en het combineren van verschillende
simulatiemethodes. Deze vraag is van belang voor het beleidsterrein ‘Water en
klimaat’.
Onderzoeksagenda:
Geo Energy --> Kennisinstelling: TNO
Climate Institute --> Kennisinstelling: TUD
Diepe aarde en diepe tijd --> Kennisinstelling: Naturalis Biodiversity Center
Fundamentals of Natural Science --> Kennisinstelling: UvA
Cognition, Socio-economic Behaviour and Neuroscience --> Kennisinstelling: UvA
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Science for Sustainability --> Kennisinstelling: VU
Klimaatmodellering --> Kennisinstelling: KNMI
Foundations of complex systems --> Kennisinstelling: UU
Data Science and Systems Complexity --> Kennisinstelling: RUG
Fundamentals of the Universe --> Kennisinstelling: RUG
Dynamics of language --> Kennisinstelling: RUG
Beleidsagenda
Embedded systems --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Printing --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Aeronautics --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Automotive --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Space --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
N125 - Welke symmetrieën schuilen er onder priemgetallen en hoe kan
de wiskundige getaltheorie bijdragen aan natuurkundige
theorievorming?
Beschrijving:
Symmetrieën komen overal voor in de natuur, en op dit punt komen wis- en
natuurkunde elkaar tegen. Opmerkelijk genoeg blijkt symmetrie ook een grote rol te
spelen in de wereld van getallen. In de jaren zeventig van de vorige eeuw heeft de
wiskundige Robert Langlands een samenhangend geheel van onbewezen vermoedens
geformuleerd dat suggereert dat het gedrag van priemgetallen in belangrijke mate
wordt bepaald door verborgen symmetrieën. Deze vermoedens staan nu bekend als
het Langlandsprogramma. De ideeën van Langlands zijn zeer revolutionair en
visionair, en doen vermoeden dat er ongekend diepe verbanden bestaan tussen
meetkunde en getaltheorie. De reeds bereikte vooruitgang heeft al geleid tot
verbluffende toepassingen in de getaltheorie. Het beroemdste voorbeeld hiervan is het
bewijs van de zogeheten Laatste stelling van Fermat, door Britse wiskundige Andrew
Wiles. Recentelijk werd een meetkundige versie van het Langlandsprogramma
geformuleerd, dat nieuwe bruggen slaat tussen wis- en natuurkunde. Het
Langlandsprogramma is dermate uitdagend en breed dat er wereldwijd door vele
wiskundigen aan wordt gewerkt. Nederland beschikt over een unieke combinatie van
expertises in het Langlandsprogramma, waardoor we bij uitstek geschikt zijn om
hoogwaardige bijdragen te leveren aan deze belangrijke internationale
onderzoeksinspanningen.
Verbindend karakter:
De vraag geeft in eerste instantie aanleiding tot zeer fundamenteel onderzoek en slaat
bruggen tussen wis- en natuurkunde. Priemgetallen spelen een belangrijke rol in de
cryptografie, bijvoorbeeld bij het versleutelen van gegevens tijdens het
internetbankieren.
Onderzoeksagenda:
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Fundamentals of Natural Science --> Kennisinstelling: UvA
Applied Mathematics Institute --> Kennisinstelling: 3TU
Software --> Kennisinstelling: CWI
Digital Society --> Kennisinstelling: TUD
Science for Sustainability --> Kennisinstelling: VU
Fundamentals of the Universe --> Kennisinstelling: RUG
Beleidsagenda
High tech materials --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
N126 - Welke rol speelt de kwantumfysica in macroscopische systemen
en welke spectaculaire nieuwe verschijnselen en toepassingen worden
daarmee mogelijk?
Beschrijving:
Kwantumfysica is al op een aantal terreinen belangrijk in macroscopische systemen.
Zo geeft het kwantummechanische collectieve gedrag van elektronen aanleiding tot
exotisch macroscopisch gedrag, zoals supergeleiding (elektrische geleiding zonder
weerstand). Ook in relatie tot magnetisme komen steeds meer interessante vragen
naar kwantumeffecten in macroscopische systemen voort. Het theoretische begrip van
deze collectieve kwantumeffecten wordt op de proef gesteld door een reeks van
onverwachte ontdekkingen, waaronder de mogelijkheid van supergeleiding bij hoge
temperaturen in bepaalde modelsystemen. Kunnen we materialen ontwikkelen die
deze modelsystemen realiseren? Supergeleiding bij kamertemperatuur zou het
mogelijk maken om elektriciteit zonder verliezen te transporteren, met een grote impact
op de mondiale energievoorziening.
Verbindend karakter:
Kwantumgedrag controleren en zelfs sturen, vormt een grote wetenschappelijke en
technologische uitdaging. Om dit te bereiken, zijn verdere ontwikkelingen nodig van
bijvoorbeeld nieuwe materialen, schakelstructuren en informatica. Hier liggen ook
verbindingen naar nanotechnologie, optica, microscopische technieken en plasmonics.
De Nederlandse natuurkundegemeenschap is uitstekend gepositioneerd om een
leidende rol te vervullen in deze baanbrekende ontwikkeling in de fundamentele
natuurkunde. Niet alleen is het verschijnsel supergeleiding een Nederlandse uitvinding,
het hele vakgebied van zogeheten kwantummaterie, zoals deze nieuwe vormen van
materialen worden genoemd, speelt een centrale rol in de nationale
onderzoeksprogrammering.
Onderzoeksagenda:
Science for Sustainability --> Kennisinstelling: VU
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Fundamentals of Natural Science --> Kennisinstelling: UvA
Space & Scientific Instrumentations --> Kennisinstelling: TNO
Semiconductor Equipment --> Kennisinstelling: TNO
Digital Society --> Kennisinstelling: TUD
Foundations of complex systems --> Kennisinstelling: UU
Fundamentals of the Universe --> Kennisinstelling: RUG
Advanced Radiation Technology --> Kennisinstelling: RUG
Beleidsagenda
Make cities and human settlements inclusive, safe, resilient and sustainable -->
Maatschappelijke organisatie: UN Sustainable Development Goals
Space --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Photonics --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Nanotechnology --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
ICT --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
N127 - Wat zijn de oorsprong, geschiedenis en toekomst van het
heelal?
Beschrijving:
Vragen naar de ware aard en oorsprong van ons heelal behoren tot de oudste
wezensvragen van de mensheid. De oerknal is een begrip dat bijna iedereen kent en
dat mensen fascineert, maar dat ook door experts niet begrepen wordt. Ontstond die
zeer hete begintoestand van het heelal werkelijk uit niets? En wat was er daarvoor, of
is dat zelfs geen goede vraag? En waar gaat het heelal naartoe? Op dit moment zien
we dat het heelal steeds sneller steeds groter wordt. Als die versnelde uitzetting
doorzet, zullen we op zeker moment geen andere melkwegstelsels meer zien: een
bizar vooruitzicht. Wetenschappelijk onderzoek dat kan bijdragen aan het
beantwoorden van deze vragen richt zich op het begrijpen van de geschiedenis van
het heelal vanaf zijn ontstaan, en op waarnemingen aan en computersimulaties van de
allervroegste stadia van onze kosmos. Deze informatie dient als input voor
theorievorming over aard en oorsprong van het heelal. Daarbij is de kennis die we door
waarnemingen en simulaties kunnen verwerven zowel de inspiratie als de
scheidsrechter voor de onderzochte theorieën.
Verbindend karakter:
Onderzoek naar deze vraag heeft een direct verband met de (theoretische) natuur- en
sterrenkunde. Naast nog te ontwikkelen nieuwe theoretische concepten zijn
instrumenten nodig waarmee steeds nauwkeuriger waarnemingen gedaan kunnen
worden in steeds grotere delen van het elektromagnetische spectrum. Daarnaast
moeten de nodige omvangrijke simulaties kunnen worden uitgevoerd. De daarmee
verbonden uitdagende technologische ontwikkelingen leiden ook tot toepassingen
buiten de sterrenkunde en bieden daarmee de betrokken bedrijven economische
kansen. Ook voor de ontwikkeling van dergelijke instrumentatie is onderzoek nodig.
Onderzoeksagenda:
Astrophysics --> Kennisinstelling: RUN
Delft Space Institute --> Kennisinstelling: TUD
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Fundamentals of Natural Science --> Kennisinstelling: UvA
Duurzame en Productieve Landbouw voor Voedsel en Grond­stoffen -->
Kennisinstelling: Technologie­agenda
CoE Food --> Kennisinstelling: HAS Hogeschool
De geschiedenis van het universum --> Kennisinstelling: SRON
De atmosfeer van exoplaneten --> Kennisinstelling: SRON
Deeltjesfysica en astrodeeltjesfysica. --> Kennisinstelling: NIKHEF
CoE Food --> Kennisinstelling: Vilentum Hogeschool
Veilige voedselproductie --> Kennisinstelling: DLO-RIKILT
Space --> Kennisinstelling: NLR
Space & Scientific Instrumentations --> Kennisinstelling: TNO
Connected World --> Kennisinstelling: VU
Fundamentals of the Universe --> Kennisinstelling: RUG
Data Science and Systems Complexity --> Kennisinstelling: RUG
Advanced Radiation Technology --> Kennisinstelling: RUG
Beleidsagenda
Astrochemie --> Maatschappelijke organisatie: NWO
Agro, food en tuinbouw --> Maatschappelijke organisatie: NWO
Advanced instrumentation --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
High tech materials --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
N128 - Kennen we alle elementaire bouwstenen van materie?
Beschrijving:
Het zogeheten Standaard Model voor elementaire deeltjes beschrijft alle ons bekende
elementaire deeltjes. Het model heeft iets weg van het Periodiek Systeem der
Elementen, maar het is veel kleiner. Het is verbazingwekkend dat een klein aantal
elementaire bouwstenen alle ons bekende vormen van materie kan verklaren. Het
maximale aantal elementaire deeltjes wordt beperkt door bepaalde symmetrieën, die
we aan het model opleggen We weten echter nog niet waarom het model werkt, en
waar deze symmetriestructuur, en dus het kleine aantal elementaire bouwstenen,
vandaan komt. Net als andere grote natuurkundige fenomenen zoals de algemene
relativiteitstheorie en de kwantummechanica zou die symmetriestructuur zich wellicht
ook op macroscopische schaal kunnen manifesteren, en tot revolutionaire
toepassingen kunnen leiden. Bovendien zou kunnen blijken dat het model niet af is, en
dat er wel degelijk nieuwe elementaire bouwstenen zijn die we nog niet hebben
ontdekt.
Verbindend karakter:
Deze vraag verbindt zeer elementaire vragen over het ontstaan van het universum en
de ontrafeling van de bouwstenen van materie. Om deze vragen te kunnen
beantwoorden, is grensverleggende technologie nodig. Het doorbreken van deze
technologische barrières kan tot een veelzijdigheid aan nieuwe spin-off toepassingen
leiden. Hier ligt een kans voor bedrijven, met name ook het MKB. Hoewel
toepassingen in onverwachte hoek moeilijk zijn te voorspellen, denken vragenstellers
onder andere aan het gebruiken van energie uit het Higgsveld of van muonen voor het
scannen van zeer massieve objecten. Anderen vragen zich af of we met neutrino’s de
hele aarde kunnen scannen. De Nederlandse onderzoeksgemeenschap loopt voorop
in de zoektocht naar de bouwstenen van de materie. Het komende decennium vormt
een cruciale periode voor deze ontdekkingsreis.
Onderzoeksagenda:
Science for Sustainability --> Kennisinstelling: VU
Energy --> Kennisinstelling: TUD
Fundamentals of Natural Science --> Kennisinstelling: UvA
De geschiedenis van het universum --> Kennisinstelling: SRON
Efficient computing --> Kennisinstelling: Netherlands eScience Center (NLeSC)
Deeltjesfysica en astrodeeltjesfysica. --> Kennisinstelling: NIKHEF
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Fundamentals of the Universe --> Kennisinstelling: RUG
Advanced Radiation Technology --> Kennisinstelling: RUG
Beleidsagenda
Bouw­stenen van leven --> Maatschappelijke organisatie: NWO uitdagingen
Advanced instrumentation --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
N129 - Wat is de ware aard van zwaartekracht, ruimte en tijd en wat kun
je bijvoorbeeld leren van zwarte gaten?
Beschrijving:
Einsteins relativiteitstheorie verbindt ruimte met tijd, en verklaart zwaartekracht als een
vervorming van de ruimtetijd. Daarmee is deze theorie fundamenteel verschillend van
theorieën over andere natuurkrachten. Maar Einsteins theorie is nog niet tot het
uiterste getest. Alleen in het heelal is dit mogelijk: zwarte gaten en neutronensterren
krommen de ruimte zo sterk dat ze exotische verschijnselen produceren. Bestudering
van deze objecten geeft daarom uniek inzicht in de natuurwetten die onze meest
fundamentele inzichten in het wezen van ruimte en tijd behelzen. De uitdaging is om
deze verschijnselen met extreem gevoelige instrumenten te detecteren via
waarnemingen in gamma-, röntgen-, radio- en gravitatiestraling. Dit ligt de komende
jaren binnen bereik. Daarnaast is theoretisch werk essentieel: is zwaartekracht wellicht
holografisch en emergent, zoals gesuggereerd door de snaartheorie, en wat zegt dat
over wat ruimte en tijd wezenlijk zijn?
Verbindend karakter:
Nederlandse onderzoekers spelen een leidende rol in de wereld op deze gebieden. Dit
blijkt niet alleen uit verschillende (toponderzoekschool)programma's. Ook neemt
Nederland op grote schaal deel aan internationale faciliteiten met unieke
instrumentatie, zowel op de grond als in de ruimte. Technologische ontwikkeling van
instrumentatie is essentieel voor dit type onderzoek. Ook bij deze ontwikkeling zijn
kennisinstellingen betrokken, vaak samen met bedrijven, met name vanuit het hightech
MKB.
Onderzoeksagenda:
Astrophysics --> Kennisinstelling: RUN
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Fundamentals of Natural Science --> Kennisinstelling: UvA
De geschiedenis van het universum --> Kennisinstelling: SRON
De atmosfeer van exoplaneten --> Kennisinstelling: SRON
Deeltjesfysica en astrodeeltjesfysica. --> Kennisinstelling: NIKHEF
Space --> Kennisinstelling: NLR
Delft Space Institute --> Kennisinstelling: TUD
Science for Sustainability --> Kennisinstelling: VU
Fundamentals of the Universe --> Kennisinstelling: RUG
Data Science and Systems Complexity --> Kennisinstelling: RUG
Advanced Radiation Technology --> Kennisinstelling: RUG
Beleidsagenda
Astrochemie --> Maatschappelijke organisatie: NWO
Space --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Advanced instrumentation --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
N130 - Wat is donkere materie en wat is donkere energie?
Beschrijving:
Slechts vier procent van het heelal begrijpen we goed in termen van de bekende
elementaire deeltjes en hun interacties in de vorm van de elektromagnetische kracht,
de zwakke en de sterke kernkracht en de zwaartekracht. Van de overige 96 procent
van de energie in het heelal zien we wel de gevolgen, maar weten we niet wat het is.
Een deel hiervan is de zogenaamde donkere materie, het grootste deel wordt donkere
energie genoemd. De zwaartekracht die wordt veroorzaakt door donkere materie houdt
melkwegstelsels en clusters van melkwegstelsels bij elkaar. Donkere energie
daarentegen zorgt er juist voor dat het heelal als geheel steeds sneller uitdijt. De
zoektocht naar de ontbrekende materie en energie gebeurt door de bewegingen van
hemellichamen in kaart te brengen, en door gevoelige natuurkundige experimenten.
Ook de theoretische fysica speelt hier een belangrijke rol. Grote internationale
onderzoeksprogramma's, waaronder een omvangrijk Europees satellietproject, richten
zich op de samenstelling van de donkere materie en de toestandsvergelijking van de
donkere energie. Opheldering van het donkere deel van het heelal is één van de
allergrootste uitdagingen in het fundamenteel onderzoek, waarin Nederland een
beslissende rol kan spelen.
Verbindend karakter:
De vraag geeft in eerste instantie aanleiding tot zeer fundamenteel onderzoek, dat
veelal in nauwe internationale samenwerking zal plaatsvinden, zoals bij CERN. Voor
een deel van dit onderzoek is allerlei instrumentatie essentieel. De ontwikkeling van
dergelijke apparatuur plaatst de hightechindustrie voor grote uitdagingen. De erbij
opgedane praktische kennis kan veelal ook voor andere toepassingen worden ingezet
en biedt daarmee nieuwe economische kansen. Om de meest geschikte apparatuur te
ontwikkelen moeten de betrokken hightechbedrijven in multidisciplinaire verbanden
nauw samenwerken met onderzoekers in onder andere de astronomie en de
fundamentele natuurkunde.
Onderzoeksagenda:
Astrophysics --> Kennisinstelling: RUN
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Fundamentals of Natural Science --> Kennisinstelling: UvA
De geschiedenis van het universum --> Kennisinstelling: SRON
De atmosfeer van exoplaneten --> Kennisinstelling: SRON
Deeltjesfysica en astrodeeltjesfysica. --> Kennisinstelling: NIKHEF
Space --> Kennisinstelling: NLR
Delft Space Institute --> Kennisinstelling: TUD
Science for Sustainability --> Kennisinstelling: VU
Fundamentals of the Universe --> Kennisinstelling: RUG
Advanced Radiation Technology --> Kennisinstelling: RUG
Beleidsagenda
Astrochemie --> Maatschappelijke organisatie: NWO
Space --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Advanced instrumentation --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
N131 - Hoe ontstaan en evolueren melkwegstelsels, sterren en
planeten?
Beschrijving:
Het heelal heeft een complexe structuur met sterke contrasten tussen extreme leegte
en sterke massaconcentraties in de vorm van melkwegstelsels, sterren, en planeten,
en uiteindelijk, de mens. Dit alles is ontstaan uit een relatief eenvoudig begin, veertien
miljard jaar geleden. Het heelal was toen gevuld met een zeer gelijkmatig verdeeld gas
met slechts een begin van structuur, die nu nog zichtbaar is in de achtergrondstraling.
De zwaartekracht versterkte die structuur door zowel de normale als de raadselachtige
donkere materie te laten samenklonteren. Enkele honderden miljoenen jaren later zien
we in deze kosmische dageraad de eerste sterren en melkwegstelsels oplichten. De
eerste sterren produceren nieuwe elementen waaruit nieuwe sterren met
planetenstelsels ontstaan. Met de grootste telescopen en de krachtigste
supercomputers kunnen we al deze processen nu waarnemen en simuleren om
uiteindelijk te ontrafelen waar alle materie, energie en krachten in het heelal vandaan
komen en hoe deze zich verder zullen ontwikkelen. Zo wordt bijvoorbeeld met de deels
in Drenthe gelegen internationale LOFAR-radiotelescoop gezocht naar de effecten van
het eerste licht na de oerknal. Meerdere zeer sterke groepen Nederlandse astronomen
en ruimteonderzoekers, verenigd in NWO- en toponderzoeksschoolprogramma's en
aangesloten bij internationale samenwerkingen, staan vooraan in het wereldwijde
onderzoek naar de structuren in het heelal.
Verbindend karakter:
Deze vraag dekt een groot deel van de sterrenkunde af en past daarmee bij het
Sectorplan Astronomie. Instrumentatie speelt een essentiële rol bij dit onderzoek, dat
een diepe relatie heeft met fundamenten van de natuurkunde. Dergelijke uitdagende
instrumentatieontwikkeling biedt de hightech industrie nieuwe afgeleide economische
mogelijkheden en samenwerking met andere bedrijven. Bovendien leidt deze
ontwikkeling vaak tot innovatieve spin-offs in de samenleving. Hiermee sluit het
onderzoek naar deze vraag aan bij de topsector HTSM. Ook is er een duidelijke
verbinding met de astrochemie, de informatica en de wiskunde en zijn er raakvlakken
met het thema zelforganisatie. Big data, grootschalige gegevensverzameling, is bij
uitstek een thema bij deze vraag.
Onderzoeksagenda:
Astrophysics --> Kennisinstelling: RUN
Delft Space Institute --> Kennisinstelling: TUD
De geschiedenis van het universum --> Kennisinstelling: SRON
De atmosfeer van exoplaneten --> Kennisinstelling: SRON
Fundamentals of Natural Science --> Kennisinstelling: UvA
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Information --> Kennisinstelling: CWI
Science for Sustainability --> Kennisinstelling: VU
Fundamentals of the Universe --> Kennisinstelling: RUG
Data Science and Systems Complexity --> Kennisinstelling: RUG
Beleidsagenda
Space --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Advanced instrumentation --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
N132 - Hoe kunnen we met ruimtevaartuigen en telescopen meer
begrijpen van het heelal en ons zonnestelsel exploreren?
Beschrijving:
De technologische vooruitgang die leidt tot steeds geavanceerdere telescopen en
ruimtevaartuigen, ligt aan de basis van ons toenemende begrip van het heelal en de
ruimte om ons heen, en leidt tot een toenemend nut van die ruimte voor de mensheid.
Een wereld zonder weer- en communicatiesatellieten en GPS is bijna niet meer
denkbaar. Om verder door te dringen in de geheimen van de natuur en om mogelijk
zelfs van exploratie naar exploitatie van het zonnestelsel te gaan, moeten de
ontwikkeling en toepassing van de relevante technologieën krachtig worden
voortgezet. De spin-off van dit soort technologieontwikkeling heeft zijn weerslag overal
in de samenleving. Nederland kan aan deze internationale ontwikkelingen belangrijke
bijdragen leveren. Nederlandse technologische onderzoeksinstituten op het gebied van
sterrenkundig en ruimteonderzoek zijn internationaal zeer prominent aanwezig, zeker
gezien hun relatief kleine omvang.
Verbindend karakter:
Voor de exploratie van het zonnestelsel is onderzoek in en afstemming tussen zeer
uiteenlopende disciplines en technologieën nodig. Innovatieve telescopen vragen om
nieuwe technologie, die ook elders inzetbaar blijkt. Technologieontwikkeling voor
ruimteonderzoek en ruimtevaart is zeer innovatief vanwege de extreme
omstandigheden die in de ruimte heersen, en de extreme betrouwbaarheids- en
levensduureisen die aan ruimte-instrumenten worden gesteld. In het verleden zijn
vanuit de ruimtevaartambities innovaties gerealiseerd met maatschappelijke en
economische impact. Ook voor de toekomst zijn spin-offs te verwachten met potentie
voor de maatschappij en de Nederlandse industrie.
Onderzoeksagenda:
Astronomy --> Kennisinstelling: RUN
Delft Space Institute --> Kennisinstelling: TUD
Fundamentals of Natural Science --> Kennisinstelling: UvA
De geschiedenis van het universum --> Kennisinstelling: SRON
De atmosfeer van exoplaneten --> Kennisinstelling: SRON
Big data analytics --> Kennisinstelling: Netherlands eScience Center (NLeSC)
Efficient computing --> Kennisinstelling: Netherlands eScience Center (NLeSC)
Deeltjesfysica en astrodeeltjesfysica. --> Kennisinstelling: NIKHEF
Space & Scientific Instrumentations --> Kennisinstelling: TNO
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Fundamentals of the Universe --> Kennisinstelling: RUG
Data Science and Systems Complexity --> Kennisinstelling: RUG
Advanced Radiation Technology --> Kennisinstelling: RUG
Beleidsagenda
Space --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
Advanced instrumentation --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
N140 - Wat kunnen we als mensen weten over onszelf, God en onze
plaats in de kosmos, en in hoeverre kan de wetenschap die kennis
leveren?
Beschrijving:
Al eeuwenlang zoeken mensen naar wat een mens tot mens maakt, welke plaats de
mens heeft in de kosmos, en of er meer is dan onze materiële wereld. Onder invloed
van nieuwe kennis over onder andere onze hersenen is ons mensbeeld de afgelopen
jaren drastisch veranderd. De vraag is welk effect dit veranderd mensbeeld heeft op
onze verhouding tot God en op het beeld van de plaats van de mens in de kosmos.
Daarbij is het overigens niet zeker of de wetenschap hier wel een antwoord op kan
geven.
Verbindend karakter:
Deze vraag verbindt filosofie, religiewetenschappen/theologie en geschiedenis, en kent
beschrijvende, evaluerende en ontwerpende aspecten. Om deze vraag te
beantwoorden is allereerst een beschrijving nodig van ons huidige mensbeeld en de
historische ontwikkeling daarvan. Om te weten welke impact het veranderd mensbeeld
heeft op onze verhouding tot goddelijke machten en op het beeld van de plaats van de
mens in de kosmos, is een historische, filosofische en religieuze evaluatie nodig. Het
raadsel of de wetenschap überhaupt een antwoord kan geven op deze vraag is een
fundamentele vraag naar de reikwijdte en grenzen van kennis en wetenschap. Om
deze reikwijdte te bepalen is een filosofische evaluatie nodig. Het ontwerpende aspect
bevindt zich op verschillende vlakken: - Wetenschapscommunicatie: een betere
begripsvorming over wat wel en niet wetenschappelijk is, draagt bij aan effectievere
communicatie over welke resultaten we wel en niet met wetenschap kunnen bereiken.
- Wetenschapsbeleid: een goed begrip van de grenzen van onze kennis draagt bij aan
een betere aansluiting tussen onze onderzoeksinspanningen en de kennis die we
daadwerkelijk nodig hebben om onze wereld, onder andere via politiek en economie,
vorm te geven. - Bestuur en beleid: een bepaald mensbeeld ligt vaak impliciet ten
grondslag aan beslissingen over de besteding van geld in de publieke sfeer, zoals in
de gezondheidszorg of de culturele sector. Een dergelijk mensbeeld expliciet
benoemen biedt kansen voor gemeenschapsvorming en het verkrijgen van draagvlak
voor bepaalde beslissingen.
Onderzoeksagenda:
Human Health & Life Sciences --> Kennisinstelling: VU
Religie en identiteit --> Kennisinstelling: UvT
Geloven in context --> Kennisinstelling: Christelijke Hogeschool Ede
Onderwijs, leren & levensbeschouwing --> Kennisinstelling: Inholland
Onderzoekend en Wetenschapswijs --> Kennisinstelling: Naturalis Biodiversity Center
Communication and Information --> Kennisinstelling: UvA
Cognition, Socio-economic Behaviour and Neuroscience --> Kennisinstelling: UvA
Europe and a globalising world --> Kennisinstelling: UM
Religion & Dynamics of Culture --> Kennisinstelling: RUG
Facets of cultures, past and present --> Kennisinstelling: RUG
Interdisciplinary Philosophy: Science, Society & History --> Kennisinstelling: RUG
Menselijke factoren in het benutten van innovatie in de klassieke oudheid -->
Kennisinstelling: OIKOS
Beleidsagenda
Hogere toegevoegde waarde --> Maatschappelijke organisatie: AGRI&FOOD
N135 - Hoe kunnen we de eigenschappen, functionaliteiten en het
samenspel van moleculen in levende systemen beter begrijpen en zo
bijvoorbeeld op leven geïnspireerde systemen ontwikkelen?
Beschrijving:
We begrijpen nog steeds niet hoe interacties tussen biomoleculen tot levende
organismen kunnen leiden. Wel weten we dat de moleculen van het leven elkaar
herkennen, met elkaar reageren tot nieuwe moleculen, interacties met elkaar aangaan
en samen structuren vormen door middel van vele complexe processen. Deze
moleculaire processen zijn essentieel voor chemische reacties en voor het goed
functioneren van uit twee delen bestaande biologische systemen zoals enzymen en
substraten, virussen en hun gastheer, antigenen en antilichamen. Kennis van
dergelijke complexe moleculaire systemen en de mogelijkheid om deze in een
gewenste richting te kunnen sturen, bieden aanknopingspunten om maatschappelijke
vraagstukken op het gebied van milieu, energie en gezondheid aan te pakken. De
komende tien jaar staan we voor de uitdaging moleculaire zelfassemblage (spontane
ordening) onder controle te krijgen. Dit kan bijvoorbeeld door het ontwerpen en in
elkaar zetten van moleculaire motoren, het modelleren van biologische systemen,
maar ook door het ontwerpen van dynamische biomaterialen voor het herstel van
weefsel in het lichaam, of door het kunnen sturen van katalytische processen in
levende cellen. Op termijn kunnen we wellicht zelfs kunstmatige moleculaire systemen
en materialen bouwen die autonome functies kunnen uitvoeren, en zo een geheel
nieuwe chemische wereld genereren.
Verbindend karakter:
Evolutie, het functioneren van leven, en het begrijpen van complexe processen op
verschillende lengte- en tijdschalen zijn kernbegrippen bij deze vraag. Toepassingen
en economische kansen liggen op het gebied van bijvoorbeeld medicijnen, voeding en
materialen. Vragenstellers noemen protheses, kunstmatige weefsels en organen,
levensechte zelfdenkende materialen, nieuwe medicijnen, nanorobots, moleculaire
elektronica, nieuwe doeleiwitten voor moleculaire therapieën, antibiotica en antivirale
middelen, de creatie van een synthetische cel, kankertherapie en duurzaam
geproduceerde eiwitten. Onderzoek is nodig naar complexe moleculaire systemen,
systemen die uit evenwicht zijn en functionele moleculaire architecturen. Subthema’s
van deze vraag bevinden zich onder andere op het gebied van microbiologie,
chemische immunologie, functionele moleculaire systemen en materie op
uiteenlopende lengteschalen.
Onderzoeksagenda:
Robotics --> Kennisinstelling: TU/e
Integrative bioinformatics --> Kennisinstelling: UU
Humans & Technology --> Kennisinstelling: 3TU
Movement sciences --> Kennisinstelling: VUMC
Life Science --> Kennisinstelling: CWI
Biomoleculaire systemen --> Kennisinstelling: AMOLF
Predictive Health Technologies --> Kennisinstelling: TNO
Biotechnology --> Kennisinstelling: TUD
Nature & Landscape --> Kennisinstelling: WUR
Food production & Food security --> Kennisinstelling: WUR
Fundamentals of Natural Science --> Kennisinstelling: UvA
Human Health --> Kennisinstelling: UvA
Quality of Life --> Kennisinstelling: UM
Bioscience: the Science Base of Health --> Kennisinstelling: LEI
Funda­mentals of Science --> Kennisinstelling: LEI
Immunity, infection and tolerance --> Kennisinstelling: LUMC
Human Health & Life Sciences --> Kennisinstelling: VU
Molecular Life & Health --> Kennisinstelling: RUG
Advanced Materials --> Kennisinstelling: RUG
Human wellbeing & biomedical materials --> Kennisinstelling: RUG
Heredity, reproduction and early development --> Kennisinstelling: MUMC
Systems Biology --> Kennisinstelling: AMC
Repro­duction and development --> Kennisinstelling: AMC
Regen­erative medicine & stem cells --> Kennisinstelling: UMCU
Anemie --> Kennisinstelling: Sanquin
Kanker --> Kennisinstelling: Sanquin
Immuundeficiëntie en Veroudering --> Kennisinstelling: Sanquin
Bionanoscience --> Kennisinstelling: TUD
Beleidsagenda
Nanotechnology --> Maatschappelijke organisatie: HTSM
ICT --> Maatschappelijke organisatie: HTSM