Technologien für die Märkte der Zukunft
Entwicklungen, die in den nächsten Jahren von sich reden machen werden.
Foto: Fraunhofer ISE
Im zweiten Jahr der Covid-19-Pandemie stellen wir Technologietrends vor, die mit großer Wahrscheinlichkeit unsere Zukunft prägen werden. Sie leisten wichtige Beiträge zur Resilienz und zur Bewältigung aller damit verbundenen Herausforderungen.
Bei den Technologies to Watch geht es um Lösungen, die für eine Zeitenwende, einen Paradigmenwechsel stehen: Digitale Technologien und biologische Systeme sind keine separaten Welten mehr. Sie verbinden sich vielmehr auf eine Art und Weise, die grundlegende Veränderungen in der Wirtschaft, der Gesellschaft, der Politik, und der Umwelt ermöglicht.
Innovative Technologien entwickeln sich nicht im luftleeren Raum. Entwicklungen aus unterschiedlichen Bereichen bauen vielmehr aufeinander auf und stimulieren sich gegenseitig. Das wird besonders für die zentralen Themen Digitalisierung, Nachhaltigkeit und Resilienz gelten. Im Zusammenspiel führen sie zu Lösungen, die unsere Gesellschaft in den nächsten zehn bis 15 Jahren prägen.
Auch die Rahmenbedingungen werden wichtiger denn je. Menschen legen großen Wert auf eine nachhaltige Bewirtschaftung aller Ressourcen und auf einen verantwortungsbewussten Umgang mit der Umwelt. Exemplarisch sind hier Biotreibstoffe der dritten Generation aus Algen zu nennen. All das setzt ein grundlegendes Verständnis der komplexen Zusammenhänge zwischen Ökosystemfunktionen, Ressourcenkreisläufen, Energieverbrauch, Landnutzung und Klimawandel voraus.
Diese Aspekte sind anspruchsvolle Forschungsfelder, in denen das VDI Technologiezentrum die Bundesregierung und die EU beim Aufbau nachhaltiger und klimaresilienter Infrastrukturen, ziviler Sicherheitskonzepte, aber auch im Bereich der Digitalisierung und der Technikfolgenabschätzung unterstützt.
Wagen Sie mit uns einen Blick in die Zukunft. Jedes Jahr stellen VDI nachrichten und VDI Research mit der Expertise des VDI Technologiezentrums wichtige Innovationen vor, die unsere Welt ein bisschen digitaler, resilienter und nachhaltiger machen. Ein Teil der vorgestellten Projekte wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Mobilfunk: Das sensorische 6G
Noch steht 5G im Mittelpunkt der Mobilfunkwelt. Damit gibt es aktuell schon in vielen Ländern der Welt ein Kommunikationsnetz, über das sich reale und virtuelle Objekte fernsteuern lassen. Um die breite Masse an Anwendungen zu ermöglichen, muss aber in den nächsten Jahren der Schritt in die nächste Generation, hin zu 6G, erfolgen. „Bei 6G sollen der Mensch und seine Umgebung im Mittelpunkt stehen“, erklärt Wolfgang Kellerer, Projektleiter 6G an der Technischen Universität München. 6G werde die erste Mobilfunkgeneration sein, bei der das Netz und eine Unmenge an Sensoren zusammenarbeiten, die in den im Netz betriebenen Geräten eingesetzt sind, also in Robotern, autonomen Fahrzeugen u. a. Dabei könne das Netz erstmals auch selbst zum Sensor werden. Etwas anders formuliert das Gerhard Fettweis vom Institut für Nachrichtentechnik der TU Dresden. Sensorsignalpakete für Radarfunktionen z. B. ließen sich in Datensignale integrieren, wodurch das Mobilfunksignal die Sensorfunktion quasi mit transportiert. Ein klares Bekenntnis für eine gemeinsame Nutzung von Funkkommunikation und -sensorik bei 6G formuliert der VDE in seinem frischgebackenen Positionspapier „Joint Communications & Sensing“. Ein Papier, das schon frühzeitig die anstehende Standardisierung thematisiert. Denn noch ist es ein weiter Weg zur 6G-Technik, von der sich allerdings die Europäer gute Chancen erhoffen. Denn so Fettweis: „Wir haben viel Mobilfunkexpertise, aber auch die großen Player in der Sensorik.“ rb
Komplexe Systeme: Schlagkraft der Algorithmen
Es war eine der vielen Meldungen zu Cloud-Computing, künstliche Intelligenz (KI) und Informationstechnik (IT), die tagtäglich auf dem Redaktionsschreibtisch landen. IBM „kündigte heute neue Funktionen für RoboRXN an“. Was dahinter steckt? Das System ist ein Cloud-basiertes KI-Labor, speziell entwickelt für die chemische Industrie. Die Branche kann so schneller neue Moleküle und Materialien entwickeln. In diesem Sektor setzt IBM auch auf Quantencomputing, um der KI mehr Power zu verleihen. Und die „neuen Funktionen“? Eine davon ist, „umweltfreundlichere chemische Prozesse“ zu entwickeln, sprich: In die hochkomplexe Optimierungsaufgabe, eine neue Chemikalie zu entwickeln und den geeigneten Produktionsprozess zu finden, lassen sich ökologische Anforderungen einbinden. Das lässt sich weiterspinnen: KI, IT, Quantencomputing und Cloud-Technologien – richtig kombiniert – könnten helfen, endlich Ökologie von Anfang an als Anforderung schlüssig in industrielle Produktentwicklung einzubinden. Chapeau, wenn‘s gelingt! swe
Künstliche Intelligenz: Der Sound der KI
Erst letztes Wochenende haben sie es ins Fernsehen geschafft: die Sätze 3 und 4 der 10. Beethoven Sinfonie. Der Komponist hat sie nie vollendet. Wissenschaftler der Universitäten Harvard, Rutgers und Cambridge haben das mit Unterstützung der Telekom und vor allem mithilfe künstlicher Intelligenz getan. Das Projekt sollte u. a. zeigen wie kreativ Algorithmen sein können. Das Unternehmen Google stellte in diesem Herbst eine KI-Choreografin vor, die automatisch zu Musik passende Bewegungsabläufe generiert und digitale Figuren animiert. KI erobert nach Bildern nun auch den Ton. Das zeigen auch andere Entwicklungen. So arbeiten Forscher von IBM daran, über Schrift- und Sprechproben frühzeitig Alzheimer zu erkennen. Und Augsburger Forscher demonstrierten in diesem Jahr eine Corona-Anwendung: Einmal ins Handy sprechen, und kurz darauf kommt mithilfe von KI die Diagnose – Covid-19, ja oder nein. Algorithmen lernen ärztliche Fähigkeiten. Mit ein bisschen Fantasie lässt sich erahnen, wozu sie noch fähig sein können. rb
Industrie 4.0: Digitalisierung antreiben
Wenn es um die Entwicklung von Software, Onlineportalen oder Apps geht, sind IT-Fachkräfte nötig. Die Prozesse sind oft aufwendig und kostenintensiv. Die Lösung: „Low Code“-Plattformen. Solche Entwicklungsumgebungen ermöglichen es, IT-Anwendungen fast ohne Programmierung zu erzeugen. Auf einer grafischen Benutzeroberfläche werden Standardmodule zu einer Anwendung zusammengesetzt. Das gelingt auch nicht-IT-affinen Beschäftigten. Dank Low Code können manuelle Prozesse schnell und kostensparend in digitale Anwendungen umgesetzt werden. Fachleuten zufolge haben solche Plattformen das Potenzial, die Digitalisierung der deutschen Wirtschaft und vor allem den Wandel zur Industrie 4.0 enorm zu beschleunigen.
Das klingt perfekt, muss jedoch auch im Alltag umgesetzt werden: sowohl in technischer und organisatorischer Hinsicht als auch mit Blick auf die IT-Sicherheit. Die Verwendung vorkonfigurierter Module von Drittanbietern macht es beispielsweise schwieriger, unternehmensinterne Sicherheitsanforderungen und -richtlinien zu erfüllen. Sylvie Rijkers-Defrasne
Voice Computing: KI eröffnet neue Horizonte für Sprachsteuerung
Ob Apples Siri, Amazons Echo oder Googles Assistant: 45 % der Deutschen nutzen digitale Sprachassistenten, oft jedoch nur für einfache Aufgaben. Industrielle Anwendungen sprachgesteuerter Dialogsysteme für den Business-to-Business-Einsatz stehen aber erst am Anfang. Die Entwicklung solcher Technologien umfasst Fachrichtungen wie Mensch-Computer-Interaktion, Linguistik, Sprachverarbeitung, Cloud-Computing, aber auch Ethik, Recht und Informationssicherheit. Geräte wandeln Sprache via Automated Speech Recognition (ASR) in Text um. Es folgen die Deutung durch Natural Language Processing (NLP) und die Ausführung des eigentlichen Befehls. Fachleute arbeiten nun daran, Hintergrundgeräusche herauszufiltern oder die Erkennung von Akzenten und Dialekten zu verbessern.
Dank künstlicher Intelligenz eröffnen sich für das Voice Computing neue Horizonte. In zwei oder drei Jahren könnten Angestellte digitale Assistenzsysteme (alternativ: Sprachassistenten) etwa zur Protokollierung, zur Untertitelung oder zur Übersetzung und Analyse in Echtzeit nutzen. Im produzierenden Gewerbe könnten sie analoge oder digitale Laufkarten ergänzen und die Schulung von Beschäftigten erleichtern. Anna März
Landtechnik: Ernten im Datennetz
Welchen Nutzen Vernetzung der Landtechnik bringen kann, das zeigen Konzepte aus dem Umfeld der Messe Agritechnica. Hier geht es z. B. darum, allen Beteiligten entlang der Wertschöpfungskette – von den Erzeugern bis hin zu den Käufern – Transparenz über den gesamten Wachstumszyklus der Nutzpflanzen zu bieten. Dazu werden im Projekt „Connected Protein“ agronomische Daten aus den verschiedenen Anbauschritten zentral gesammelt und ein umfassender Bericht erstellt. An einer herstellerunabhängigen und drahtlosen Maschine-zu-Maschine-Kommunikation arbeiten derweil internationale Landtechnikhersteller innerhalb der Agricultural Industry Electronics Foundation (AEF). Mit ihrer„Common Coverage Map“ soll es auch in gemischten Flotten möglich sein, eine Doppelbearbeitung von Ackerflächen zu vermeiden. Beide Vernetzungskonzepte sind nominiert für den Zukunftspreis der Deutschen Landwirtschafts-Gesellschaft „DLG-Agrifuture Concept“. ciu
Photovoltaik: Im Tandem effektiver
Solarzellen nutzen Sonnenlicht: Je nach Material wandeln sie dessen Energie in Strom um – optimal allerdings nur in einem bestimmten Bereich des Spektrums. Andere Teile des Spektrums werden schlechter oder kaum genutzt. Tandem-Solarzellen bestehen prinzipiell aus zwei oder mehr Halbleitermaterialien, die das Sonnenspektrum in verschiedenen Bereichen nutzen. Das zuoberst angeordnete Material absorbiert einen Teil des Spektrums; für den Rest ist diese Zellschicht weitgehend transparent – das Licht wird daher erst vom darunterliegenden Material (bzw. Materialien) absorbiert und in Strom gewandelt. Es gibt solche Solarzellen, doch noch nicht im Massenmarkt. Herausforderung ist, eine optimale Wandlungseffizienz des Sonnenlichts mit einer guten Prozessierbarkeit und Tauglichkeit für die Massenfertigung zusammenzubringen. Einrichtungen wie das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) setzen auf das bekannte Silizium für Unterzellen und kombinieren es z. B. mit Perovskithalbleitern. Seit Längerem sind Tandemzellen auf Gallium- und Germaniumbasis im Einsatz. swe
Windkraft: Rotoren auf hoher See
Lange Zeit galten sie als exotisch, obwohl die Notwendigkeit offensichtlich war: schwimmende Windkraftanlagen für den Offshore-Einsatz. Japan, Taiwan, die USA, aber auch viele europäische Länder haben da viel Windpotenzial, aber schon in deren Küstengewässern geht es steil abwärts. Ganz anders bei vielen Nordsee-Anrainerstaaten.
In den letzten Jahren hat es eine Vielzahl von Piloten gegeben. Schon 2018 zählte der Branchenverband Windeurope in Europa 13 davon. Aber in letzter Zeit mehren sich die Ankündigungen erster industriellen Projekte. Im Bild eine Anlage des Tetraspar-projekts (Shell, Tepco, RWE und Stiesdal) vor Norwegen: Rund 65 m taucht die Konstruktion für die 3,6-MW-Anlage mit 130 m Rotordurchmesser ein.
Die ganze Industrie bringt sich derzeit weltweit in Stellung. Windeurope zählte Ende November dieses Jahres bereits 113 MW installierter Floating-Offshore-Kapazität in europäischen Gewässern und sieht die Zeit reif für den Übergang hin zu kommerziellen Projekten. „In Europa werden wir 7 GW an schwimmenden Windkraftanlagen bis 2030 sehen“, schreibt der Verband. swe
Bioökonomie: Pflanzliche Superhelden
Algen vermehren sich schnell und sind reich an Nährstoffen, einige Arten produzieren sogar erdölähnliche Substanzen. Als nährstoffreiche Biomasse bieten sie Potenzial in der Lebens- und Futtermittelindustrie sowie zur Herstellung von Medikamenten, Biokunststoffen oder als nachhaltige Treibstoffquelle. Zudem sind sie ein effektiver Speicher des Treibhausgases CO2: Etwa 2 kg CO2 kann 1 kg Algenmasse aufnehmen. Algen wandeln rund dreimal mehr CO2 um als Landpflanzen. Dadurch wachsen sie schneller, ihr Anbau ist zudem ganzjährig wetterunabhängig möglich. Anders als Energiepflanzen wie Raps und Mais benötigen sie weder landwirtschaftliche Flächen noch Dünger – lediglich wenige Nährstoffe, CO2, Licht und Wasser.
Trotz ihres Potenzials werden Algen bislang kaum industriell genutzt. Noch ist ihre Kultivierung bis hin zur Verarbeitung mit hohen Kosten bei zu geringer Produktionsmenge verbunden. Es besteht noch großer Bedarf bei der Erforschung der nützlichsten Algenarten sowie bei der Optimierung von Kultivierung und Wertstoffgewinnung. In den vergangenen Jahren haben sich dazu auf Länder-, Bundes- und EU-Ebene bereits zahlreiche Forschungsprojekte etabliert. Luciana Hutapea
Wearables: Batterien in Textilien einweben
Seit 2014 hat sich der weltweite Absatz von Wearables mehr als verzehnfacht. Intelligente Textilien erfassen zahlreiche Vitalparameter. Sie eignen sich nicht nur für den Lifestyle-Bereich, sondern perspektivisch auch für die Medizin. Als Herausforderung bleibt, intelligente Systeme mit Energie zu versorgen, etwa mit flexiblen Lithium-Ionen-Akkus, die sich wie Fäden in das Gewebe von Textilien einweben lassen. Bislang war es nicht möglich, fadenförmige Batterien von mehr als einigen Zentimetern Länge zu produzieren. Fachleute vermuteten außerdem, dass größere Dimensionen zu höheren Innenwiderständen führen. Das wiederum würde ihre Geometrie rein physikalisch einschränken.
Jetzt ist es Forschenden der Fudan University, Schanghai, gelungen, einen industriellen Prozess zu entwickeln, der zu faserförmigen Batterien im Metermaßstab führt. Der Innenwiderstand flacht bei größeren Längen ab. Als Energiedichte nennt die Arbeitsgruppe ca. 86 Wh/kg – ein Wert, der mit kommerziellen Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar ist. Auch die Zahl an Lade-/Entladezyklen entsprach dem industriellen Vorbild. Und nach 100 000 Biegezyklen hatten die Fasern noch eine Kapazität von mehr als 80 %. Zudem lassen sie sich mit industriellen Webstühlen in waschbare Textilien einweben. Dirk Holtmannspötter
Energiespeicher: Ein Superkondensator für die Blutbahn
Nanosensoren, die in Blutgefäßen schwimmen: Diese Idee scheiterte bislang an der Stromversorgung. Die Forschungsergebnisse eines internationalen Forscherteams rund um Oliver G. Schmidt von der TU Chemnitz könnten das ändern. Die Forschenden haben einen winzigen Superkondensator entwickelt, der Spannungen bis zu 1,6 V mit Strömen um 100 Nanoampere bereitstellt – und das mehrere Stunden lang.
Der Superkondensator ist wie eine kleine Biskuitrolle geformt. Im Foto sind 90 solcher flexiblen und implantierbaren Superkondensatoren auf einer Fingerkuppe angeordnet. Mit einem Nanoliter Volumen ist ein einzelner Kondensator um den Faktor 3000 kleiner als bisherige Energiequellen, die für den Einsatz in Körperflüssigkeiten wie Blut gedacht sind. Und er hält Deformationen durch pulsierendes Blut oder Muskelkontraktion stand und ist biokompatibel: Die sonst typische Selbstentladung wird durch bioelektrochemische Reaktionen kompensiert.
Das Forscherteam präsentierte eine erste Anwendung der Prototypen mit drei in Reihe geschalteten Superkondensatoren, die in einen Ringoszillator integriert wurden. Diese Anordnung kann helfen, den pH-Wert des Blutes in Echtzeit zu erfassen. Aus den Werten lassen sich im Idealfall Vorhersagen über eine frühe Tumorbildung ableiten. Bislang wurde allerdings ausschließlich mit Blut in künstlichen mikrofluidischen Kanälen gearbeitet. Oliver S. Kaiser
Chemisches Recycling: Plastik zurück zum Öl
Statt Kunststoffabfall zu verbrennen, ließe sich Sinnvolleres damit machen. Durch Pyrolyse könnte ein Öl oder durch Vergasung Synthesegas gewonnen werden. Im Prinzip funktioniert das Verfahren des chemischen Recyclings so: Alte Verpackungen werden erst mechanisch oder enzymatisch in ihre chemischen Bestandteile zerlegt, dann folgt die Pyrolyse. Bei Temperaturen über 500 °C wird dabei das Material in seine Moleküle aufgespalten.
Das Umweltbundesamt (UBA) fasst unter dem Begriff des chemischen Recyclings alle Verfahren zur Depolymerisation von Kunststoffen zusammen. Was herauskommt, kann die chemische Industrie bzw. die Kunststoffherstellung direkt einsetzen. Zwar wäre auch der Einsatz der Produkte als Kraftstoff denkbar, doch widerspricht dies laut UBA dem Gedanken der stofflichen Verwertung und sollte deshalb ausgeschlossen bleiben.
Einer der Vorreiter in Deutschland ist die BASF in Ludwigshafen. Gemeinsam mit Industriepartnern entwickelt das Unternehmen bereits verschiedenste Produkte aus Pyrolyseöl, etwa Lebensmittelverpackungen, Dämmplatten und Kühlschrankelemente. Auch Covestro, BSH Hausgeräte GmbH und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) forschen daran. ber
Neurostimulation: Therapie mit großem Potenzial
Bei diversen Erkrankungen soll eine Neurostimulation mit Strom- oder Magnetimpulsen die Erregungsweiterleitung von Nerven hemmen oder aktivieren. Je nach Krankheitsbild kommen externe oder implantierbare Geräte zum Einsatz. Die Stärke und Frequenz der Impulse können modifiziert werden. Neue Elektroden und Algorithmen der künstlichen Intelligenz zur Verarbeitung von Daten erschließen weitere Anwendungen. Studien zeigen Effekte bei chronischen Schmerzen, Depressionen und Bewegungsstörungen. Auch bei Zwangsstörungen, Schlaganfällen, Morbus Parkinson, Schizophrenie, Dyslexie, Cluster-Kopfschmerzen, ADHS, Tinnitus oder dem Wunsch, nicht mehr zu rauchen, kann eine solche Therapie helfen.
Viele Therapieansätze befinden sich aktuell noch im Forschungs- und Erprobungsstadium. Ein Beispiel ist der Ansatz, bei Patientinnen und Patienten mit Epilepsie die Anfallshäufigkeit zu verringern. Das Projekt wird vom VDI Technologiezentrum im Auftrag des BMBF begleitet. Bei der Behandlung analysiert ein System Hirnströme dauerhaft und stimuliert Nervenzellen mit Impulsen, falls dies erforderlich ist. Solche Closed-Loop-Verfahren sollen zukünftig individuellere und schonendere Therapien ermöglichen. Mit dieser Methodik haben im Herbst 2021 Forschende mit Erfolg gezeigt, dass die Hirnstimulation die Symptome einer Depression lindert. Tim Gabel/Roland Metzner
Pharmaforschung: Organe auf dem Chip
Um Tierversuche bei der Medikamentenentwicklung zu reduzieren, bieten sich Organe-auf-einem-Chip an: Sie bilden biologische Schlüsselprozesse von gesunden und kranken Menschen nach. Dabei vereinen sie Mikrofluidik, Mikrosystemtechnik und Zellbiologie zu neuen Zellkultursystemen. Sie ahmen multizelluläre Wechselwirkungen, Grenzflächen zwischen Gewebetypen sowie Flüssigkeitsströmungen und mechanische Einflüsse auf der Ebene von Organen nach. So simulieren sie etwa die Atmung der Lunge oder die Bewegung von Immunzellen in Mikrogefäßen. Und sie können Vernetzungen zwischen verschiedenen Organen darstellen.
Aufgrund ihrer besonderen Fähigkeiten erweitern Organe-auf-einem-Chip die Möglichkeiten bei der Suche nach neuen Medikamenten. Sie könnten die Erforschung von Wirkung und Nebenwirkungen neuer Arzneimittel in der vorklinischen Phase verbessern. Und sie erlauben die gezieltere Erforschung von Krankheitsursachen und Therapieansätzen sowie langfristig eine personalisierte Medizin. Dirk Holtmannspötter
Quantentechnologie: Prothesen präzise steuern mit Quantensensoren
In Deutschland leben schätzungsweise 250 000 Menschen, denen ein Oberschenkel, Unterschenkel oder Arm amputiert wurde. Viele von ihnen wünschen sich, ihre Prothese wie natürliche Gliedmaßen über neuronale Befehle zu steuern. Vom Grundprinzip her ist das schon möglich: Per Elektroenzephalographie (EEG) lassen sich Signalmuster des Gehirns ableiten und analysieren. Sie könnten perspektivisch intelligente Prothesen steuern. In der Praxis sind solche Technologien aber noch recht ungenau und fehleranfällig.
Eine Lösung kommt aus der Quantentechnologie. Hochsensible Quantensensoren auf Diamantbasis messen Signale hochpräzise – etwa elektrische, aber auch magnetische Signale aus tiefen Hirnregionen, die sich über das EEG nicht ableiten lassen. Im BMBF-geförderten Projekt BrainQSens entwickelten die Universitäten Stuttgart, Mainz und Ulm gemeinsam mit Bosch sensible Quantenmagnetsensoren als mögliche Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Ziel ist dabei, magnetische Hirnsignale von etwa einem Pikotesla (10–12 Tesla) messen zu können. Die neuartigen Sensoren sind auch für Anwendungsbereiche jenseits der Medizin geeignet, etwa für die magnetfeldbasierte Lokalisierung und präzise Lagebestimmung von Objekten. Peter Soldan
Katastrophenschutz: Hochwasserwarnung mittels Richtfunkstrecken
Die Flutkatastrophe im Juli 2021 hat gezeigt, wie schwierig die exakte Vorhersage lokaler Starkregenereignisse ist. Das liegt auch daran, dass Niederschlagsvorhersagen bis dato auf großräumigen Wetterradardaten sowie grobmaschigen, punktuellen Regenmessungen an wenigen Orten basieren. Insbesondere in bergigen Regionen können die Regen- und die Abflussmengen auch in benachbarten Orten stark variieren. Im Notfall bleibt Behörden und Einsatzkräften kaum eine Stunde, um die Bevölkerung zu warnen oder zu evakuieren.
Hier setzt das vom BMBF geförderte Projekt „HoWa-innovativ“ an. Unter der Leitung des Landeshochwasserzentrums Sachsen entwickelten die Projektpartner ein Frühwarnsystem für kleine Einzugsgebiete. Es soll die Vorwarnzeiten verlängern. Bei der Entwicklung wurde neben Niederschlagsmodellen und -messverfahren auch die Topografie miteinbezogen.
„HoWa-innovativ“ nutzt Richtfunkstrecken, die in Mobilfunknetzen eingesetzt werden. Niederschläge beeinflussen die Übertragung zwischen den Funkmasten – sie schwächen die Signale ab. Das erlaubt, bis auf wenige Hundert Meter ortsgenau, Rückschlüsse auf Intensität und Menge der Niederschläge. Bezieht man Radardaten und Vorhersagemodelle mit ein, lassen sich Niederschlagsfelder echtzeitnah abbilden. Die Genauigkeit der Prognosen zu lokalen Flutereignissen kann so deutlich verbessert werden. Das System wurde bereits im sächsischen Erzgebirge erprobt. Daniela Metz/Leif Brand
Photonik: Pestizide in Lebensmitteln schnell erkennen
Jährlich erleiden schätzungsweise 385 Mio. Menschen weltweit eine Lebensmittelvergiftung, verursacht durch kontaminierte Lebensmittel. Rund 11 000 Personen sterben daran. Die Ursache sind beispielsweise Obst- und Gemüsesorten, die durch Pestizide oder Bakterien belastet sind. Zwar gibt es seit Jahren etablierte Laboruntersuchungen, doch solche Tests sind sehr zeit- und kostenintensiv. Vor-Ort-Analysen in Supermärkten und Restaurants sind derzeit gar nicht möglich. Dies könnte sich mithilfe von Photonik bald ändern.
Ein Forscherteam des EU-geförderten Projektes „Graced“ arbeitet an einem neuen, innovativen Detektor. Ein besonders empfindlicher Sensor bindet Verunreinigungen, etwa Chemikalien oder Bakterien, spezifisch an der Oberfläche des Gerätes. Die eigentliche Messung erfolgt dann mittels eines Laserstrahls. Von der Aufbereitung einer Probe bis zum Ergebnis vergehen mithilfe dieser Technologie weniger als 30 min.
Die Messung erfolgt mittels Veränderungen des Interferenzmusters, die nach entsprechender Umrechnung Hinweise auf Kontaminationen im picomolaren bis attomolaren Bereich liefern, ohne dass die Signale zusätzlich verstärkt werden müssen. Barbara Kehrer
Verkehr: Der Autoscheinwerfer stirbt noch lange nicht aus
Theoretisch kann im Verkehr einer fernen Zukunft ganz darauf verzichtet werden: die Scheinwerfer am Auto. Wenn alle Autos vollautonom unterwegs sind, erfassen auch bei tiefschwarzer Nacht Sensoren, Radar, Lidar & Co. die Umgebung. Eine Ausleuchtung vor dem Fahrzeug ist nicht mehr notwendig.
Doch bis dahin ist es noch ein langer Weg. Neue Technologien wie Matrix-LED-Scheinwerfer oder Mikrospiegeltechnologien werden Autofahrer noch lange begleiten. Gerade mit der letztgenannten Technologie kann das Licht punktgenau gesteuert werden. Damit sind Projektionen vor das Auto auf die Straße möglich, etwa Abbiegepfeile für die Navigation oder Warnhinweise für andere Verkehrsteilnehmer. Solche Systeme arbeiten so präzise und schnell, dass es theoretisch möglich wäre, einen Schwarz-Weiß-Film vor dem Auto auf dem Asphalt abzuspielen, etwa einen Stummfilm von Charlie Chaplin.
Doch die technische Entwicklung geht noch weiter. In den Laboren der Hersteller arbeiten Expertenteams u. a. daran, Blendgefahren zu eliminieren. Regen birgt eine solche Gefahr, denn vom Scheinwerfer angestrahlte Wassertropfen reflektieren das Licht. Scheinwerfer der Zukunft könnten die fallenden Regentropfen gezielt aus der Beleuchtung ausnehmen und die Blendung durch Regen dadurch reduzieren. Es bleibt spannend beim Licht. pek
Häuser als Materiallager
In der Regel werden Häuser für eine Nutzungsdauer von etwa 50 Jahren ausgelegt. Danach wird häufig abgerissen und neu gebaut. Ein Großteil der Rohstoffe landet auf der Deponie. Dass es anders geht, zeigen Projekte wie The Cradle in Düsseldorf, wo jedes Bauteil digital in einer Materialdatenbank erfasst wurde. Weil schon bei der Planung auf möglichst gute Wiederverwendbarkeit der Materialien geachtet wurde, kann das Gebäude nach Ende der Nutzungszeit wieder zu einer Rohstoffquelle für neue Häuser werden. Digitale Technik vereinfacht nicht nur den Prozess der Erfassung jedes Bauteils – die Baupläne liegen ja bereits digital vor –, sie verknüpft auch die im Gebäude gelagerten Rohstoffe mit der Unternehmensbilanz. In den nächsten Jahren werden Gebäude durch diese Materiallagerfunktion einerseits nachhaltiger. Andererseits sind die so konzipierten Bauten auch wirtschaftlicher als ein „Wegwerfgebäude“, weil am Lebensende anstelle von Entsorgungskosten ein Materialverkaufserlös steht. Wenn sich die Technologie der Material- und Bauteilerfassung etabliert, sinken die Kosten für das einzelne Projekt. Nach und nach könnten auch die Baustoffhersteller direkt Produkte anbieten, deren digitale Akte mühelos in die Materialdatenbank eines Gebäudes übernommen werden kann. Um für die digitale Planungsmethode BIM (Building Information Modeling) gerüstet zu sein, haben bereits einige Hersteller digitale Produktdatenkataloge erstellt. kur
Laufroboter auf Baustelle
Eine Gebäudebaustelle verändert sich ständig. Die Beschäftigten laufen deshalb Gefahr zu stolpern oder gar zu stürzen. Eigentlich ist das kein Ort für autonome Maschinen, doch Roboterhunde sind hier ein vielversprechender Ansatz. Die „Rassen“ werden in den USA entwickelt, in Deutschland und der Schweiz – auch China hat dieses Jahr einen eigenen Typen erstellt. Sie können Treppen steigen, lernen Hindernisse und Absturzkanten zu umgehen. Schwer tragen können die mechanischen Vierbeiner allerdings noch nicht, daher erwartet ein Teil der Branche die Entwicklung zum humanoiden Zweibein-Roboter, der die knappen Fachkräfte unterstützen könnte. Effizienter als bloß die Menschen durch Roboter zu ersetzen, könnte hingegen eine andere Strategie sein: Die Baustelle direkt für Bauroboter zu designen – so wie z. B. in Japan. kur
3D-Druck mit Beton
2021 war ein spannendes Jahr für 3D-Druck im Bausektor. In Deutschland wurden das erste Wohnhaus und das erste Mehrfamilienhaus gedruckt, in den Niederlanden sogar die weltweit längste aus Beton gedruckte Fahrradbrücke eröffnet. Das deutsche Start-up Aeditive brachte seine Lösung für gedruckte Betonfertigteile 2021 bereits auf den Markt. Bei komplexeren Geometrien sind die Druckroboter günstiger als traditionelles Schalen. Bei kompletten Bauwerken ist zumindest das Potenzial gegeben, allerdings werden hier noch Zulassungen im Einzelfall benötigt, was teuer ist. Doch sowohl die Wohnhäuser als auch die Brücke sind Beweise für das Interesse der Branche an der Technologie. Der angespannte Fachkräftemarkt könnte den Einsatz von Beton-3D-Druck forcieren, weil während des Druck weniger Menschen gebraucht werden. Beim CO2-Fußabdruck ist hingegen noch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten. Er ist vergleichsweise groß, da der gedruckte Baustoff viel Zement enthält. Um die Kosten zu senken, muss aber auch die gesamte Prozesskette des Bauens durchgängig digital kompatibel aufgestellt werden, inklusive der Baustellenlogistik. Und es braucht leistungsfähige IT zur Berechnung von materialsparsamen Gebäudegeometrien. kur
Aktoren mit Formgedächtnis
Drähte und Metallteile, die sich nach dem mechanischen Verformen durch Wärme wieder in die Ausgangsform zurückbringen lassen, sind sehr einfache Anwendungen für Formgedächtnismaterialien. Inzwischen rückt das Prinzip aber zunehmend in den Fokus der Antriebstechnik. Denn über elektrische Impulse lassen sich damit Leichtbaukonzepte in der Aktorik realisieren. Drähte können beispielsweise als Linearantriebe eingesetzt werden, die flexibel wie ein Kabel in einem Bauraum verlegt werden können. In einem der jüngsten Anwendungsfälle sorgen Formgedächtnisaktoren für einen guten Klang, indem akustisch individuell veränderliche Oberflächen das Hallvermögen von Wänden gezielt beeinflussen. Das verbessert z. B. die Bedingungen für Musiker in Proberäumen deutlich. Die akustische Modulwand SoundAdapt (im Bild) wurde im Rahmen des Innovationsnetzwerks smart³ von Designerinnen, Ingenieuren und Bühnentechnikern entwickelt. Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz/Dresden, war daran maßgeblich beteiligt. Die Technik kommt unter anderem in der Semperoper Dresden zum Einsatz. ciu
