Energie, KI, Resilienz: Diesen Technologien gehört die Zukunft

Die „Technologies to Watch“ zeigen, dass Fortschritt dort entsteht, wo Digitalisierung, Nachhaltigkeit und Resilienz ineinandergreifen. Das wird auch im Alltag spürbar: Entscheidungen werden schneller, Ressourcen gezielter genutzt und Risiken früher erkannt.

Energieeffiziente Technologien bilden das Fundament für eine nachhaltigere Zukunft. Sie sparen Energie und steigern gleichzeitig die Rechenleistung. Künstliche Intelligenz verkürzt Entwicklungsprozesse und bringt dadurch Produkte schneller in die Fertigung. In Fabriken arbeiten intelligente Roboter präzise und schonend mit Materialien. Innovative Speichersysteme und Wasserstoff bieten gute Aussichten für die dafür notwendige Energieversorgung.

Diese effiziente Produktion setzt sich in konsequenter Kreislaufwirtschaft fort: Rohstoffe werden zunehmend im Kreislauf gehalten. Wertvolle Materialien können aus Pflanzen zurückgewonnen und Kunststoffe bis auf ihre Grundbestandteile recycelt werden. Neue Materialien helfen, Umweltgifte zu vermeiden und die Gesundheit zu schützen – ein Ansatz, der vom Produktdesign bis zur Entsorgung reicht.

Die Verbindung aus Digitalisierung und nachhaltiger Ressourcennutzung schafft die Voraussetzungen für resiliente Systeme in allen Lebensbereichen. Im urbanen Raum entstehen klimaangepasste Städte und Gebäude, die Hitze und Überschwemmungen trotzen, datengestützte Klimakarten unterstützen bei der Planung. In der Landwirtschaft sorgen robuste Pflanzensorten und präzisere Anbaumethoden für höhere Erträge bei geringerer Umweltbelastung und erhöhter Ernährungssicherheit.

Auch im Gesundheitswesen führen neue Verfahren zu schnelleren Diagnosen und wirksameren Behandlungen. Smarte Datenanalysen verbessern gleichzeitig die Notfallbereitschaft und das Krisenmanagement. Die Überwachung unserer Infrastruktur durch intelligente Sensoren schließt den Kreis. Sie macht Städte und Versorgungssysteme sicherer und liefert zugleich Daten für weitere Optimierungen.

Die folgenden „Technologies to Watch“ zeigen eine Auswahl wegweisender Entwicklungen, mit denen wir uns bei VDI Research und im VDI Technologiezentrum (VDI TZ) täglich beschäftigen. Jährlich wählen die VDI nachrichten gemeinsam mit dem VDI TZ Innovationen aus, die besonders transformatives Potenzial haben.

Prof. Dr. Dr. Axel Zweck ist Bereichsleiter VDI Research der VDI Technologiezentrum GmbH.

Batteriezellfertigung: Aluminium-Ionen-Batterien als Energiespeicher

Im Vergleich zu Lithium-Ionen-Batterien haben Aluminium-Ionen-Batterien (AIB) das Potenzial zu einer kompakteren Zellbauweise, längeren Lebensdauern sowie geringeren Rohstoffkosten und einer besseren Recyclingfähigkeit. Aktuelle Forschungen konzentrieren sich insbesondere auf neue Elektrodenmaterialien und elektrochemisch stabile, nicht korrosive Elektrolyte.

Ein Team der Universitäten Freiburg und Ulm entwickelte hierfür ein organisches Redox-Polymer auf Phenothiazin-Basis als positives Elektrodenmaterial, wodurch die AIB selbst nach 5000 Ladezyklen eine hohe Stabilität aufwies. Forschende der Universität Peking stellten zudem einen Festkörperelektrolyten vor, durch den eine AIB nach 10.000 Zyklen weniger als 1 % ihrer Kapazität verlor.

An der Bergakademie Freiberg wird derzeit eine Aluminium-Polymer-Batterie für den Einsatz als stationärer Speicher für private Photovoltaikanlagen validiert. Die aktuellen Fortschritte bringen AIB näher in Richtung Marktreife, dennoch bedarf es weiterer Forschung, etwa im Hinblick auf Energiedichte. AIB bleiben somit – aufgrund ihrer strukturellen und wirtschaftlichen Vorteile – von hohem Forschungswert.

Von Ulrike Lange

Ressourceneffizienz: KI als Schlüssel für die zirkuläre Metallindustrie

Viele Schlüsseltechnologien – von Batterien über Elektronik bis zur Energiewende – sind auf Metalle angewiesen. Ihre Gewinnung ist jedoch teuer, energieintensiv und oft ökologisch belastend. Künstliche Intelligenz (KI) eröffnet neue Möglichkeiten, Metalle in den Stoffkreislauf zurückzuführen. Die Potenzial-Landkarte des VDI Technologiezentrums und des Wuppertal Instituts zeigt, wo moderne KI-Systeme heute schon Metallschrott, Bauteile oder Batteriematerialien erkennen und bewerten – oft zuverlässiger als der Mensch und deutlich schneller als die bisherige Sortiertechnik.

Bilderkennungsmodelle identifizieren Metallarten in Sekunden, Sensorfusion analysiert Legierungen oder Beschädigungen, und lernende Systeme optimieren Sortierprozesse kontinuierlich. Dadurch wird es möglich, komplexe Stoffströme präziser zu trennen und hochwertige Rezyklate zu gewinnen – eine entscheidende Voraussetzung für eine funktionierende Kreislaufwirtschaft.

Erste Anwendungen kommen auf Schrottplätzen, in Recyclinganlagen und in der automatisierten Demontage von Altgeräten zum Einsatz. Die Beispiele zeigen: KI wird zum Werkzeug für Ressourceneffizienz und Versorgungssicherheit: weniger Primärmaterial, mehr hochwertige Sekundärrohstoffe und eine klarere Sicht auf Stoffströme.

Von Udo Heugen

Halbleiter: Neuromorphe Chips: energieeffiziente Hardware für KI

Konventionelle Recheneinheiten verbrauchen bis zu 90 % ihrer Energie für Datenübertragungen zwischen Speicher und Prozessor. Neuromorphe Systeme orientieren sich am Gehirn: Sie arbeiten ereignisbasiert, aktivieren Recheneinheiten nur bei eintreffenden „Spikes“ und kombinieren Logik und Speicher in einem Schritt. Das reduziert Datentransfers und ermöglicht hohe Parallelität.

Prototypen wie Intels Loihi und IBMs TrueNorth benötigen bei vergleichbaren Aufgaben vier- bis 16-mal weniger Energie als konventionelle Chips; in Laborszenarien wurden teilweise noch deutlich höhere Einsparungen gemessen. Einsatzfelder sind primär KI-Anwendungen und reichen von vorausschauender Wartung über medizinische Analysen bis zur Objekterkennung im Fahrzeug.

Die Entwicklung bleibt anspruchsvoll und erfordert neue Chiparchitekturen, angepasste Lernverfahren, ausgereifte Software-Tools sowie neue Materialien (z. B. memristive Bauelemente). Für den Standort Deutschland eröffnet sich die Chance, entlang der Wertschöpfungskette Kompetenzen aufzubauen und als innovativer Entwicklungspartner sichtbar zu werden.

Von Michael Auer

Batteriezellfertigung: Sich selbst recycelnde Batterien

Aktuell werden Altbatterien geschreddert, bevor eine Aufarbeitung erfolgt. Der Zerlegungsschritt könnte nun durch ein neuartiges Material eingespart werden und für eine effizientere Rohstoffrückgewinnung sorgen. Forschende am Massachusetts Institute of Technology (MIT) erweiterten eine neuartige Molekülklasse, die sogenannten Aramid-Amphiphile, am Ende jedes Moleküls um Polyethylenglykol (PEG), das Lithium-Ionen leiten kann.

In Wasser organisieren sich Aramid-Amphiphile selbst: Millionen spontan gebildeter Nanobänder lagern sich zusammen, die über die PEG-Erweiterung eine ionenleitende Oberfläche besitzen. In einer Batterie wirkt das entstandene hochstabile Material sowohl als Strukturklebstoff für die Batteriekomponenten als auch als Lithium-Ionen-Leiter.

Am Ende des Lebenszyklus löst sich die Selbstorganisation der Nanobänder durch das Eintauchen in ein geeignetes Lösemittel auf und die Batterie zerfällt in ihre einzelnen Komponenten. Die sortenreinere Rückgewinnung der Bestandteile erleichtert somit die Rohstoffrückgewinnung. Weitere Optimierungen sind erforderlich, dennoch zeigt das neue Material großes Potenzial für eine effiziente Kreislaufführung von Batteriematerialien.

Von Ulrike Lange

Textilwirtschaft: Mit Textilien cool bleiben – auch wenn es heiß wird

Durch die globale Erwärmung kommt es insbesondere in den Sommermonaten zu immer höheren Temperaturen.

Um Hitzeerkrankungen zu vermeiden und die Leistungsfähigkeit zu erhalten, wurde in den letzten Jahren Funktionsbekleidung entwickelt, die den Körper kühlt, ohne dass sie eine externe Energiezufuhr benötigt.

Dabei können zwei verschiedene Technologien zum Einsatz kommen: Phase Change Materials (PCMs) oder Verdunstungskühle. PCMs sind Materialien, die bei niedrigen Temperaturen fest sind. Wenn sie eine vorgegebene Temperatur überschreiten, werden sie langsam flüssig, absorbieren die Körperwärme und kühlen die Person so lange, bis sich die PCMs vollständig verflüssigt haben. Anders funktionieren Textilien, die mit Leitungswasser kühlen. Sie bestehen aus einem Material, das – wenn es mit Wasser getränkt wurde – die Feuchtigkeit nur an die Außenluft, nicht aber an den Körper abgibt. Das führt dazu, dass über die Verdunstung die Person gekühlt wird, aber die Bekleidung darunter trocken bleibt.

Von Heike Seitz

Landwirtschaft: Klimaangepasste Kultur- und Nutzpflanzen

Der Klimawandel sorgt für häufigere und intensivere Extremwetterereignisse, denen auch Kultur- und Nutzpflanzen ausgesetzt sind. In der Landwirtschaft führen Hitze, Dürre, Überflutungen und ein steigender Meeresspiegel oft zu Pflanzenschäden und damit zu Ernteausfällen. Je nach Ausprägung und Umfang können daraus volkswirtschaftliche Schäden und Ernährungskrisen entstehen.

Um die Klimaresilienz von Pflanzen zu erhöhen, sind auch konventionelle und biotechnologische Züchtungstechniken gefragt. Während konventionelle Züchtungen vor allem auf langjährige Selektion und Kreuzung setzen, ragen unter den biotechnologischen Verfahren die Neuen Genomischen Techniken (NGT) heraus.

Hierzu zählt auch das Genome Editing, bei dem gezielte, schnell wirksame DNA-Veränderungen an Pflanzen vorgenommen werden. Anders als bei herkömmlicher Gentechnik werden keine Gene eingefügt, sondern Mutationen provoziert, die auch zufällig in der Natur entstehen können. Aktuell werden die gesetzlichen Regelungen für den Umgang mit den NGT auf EU-Ebene novelliert.

Von Fausto Mirabile

Klimaforschung: Klimarisiken sichtbar machen

Digitale Gefahrenkarten machen Wetterrisiken sichtbar. Sie verbinden hochauflösende Geodaten mit Messnetzen wie Radarregen, Pegel und Temperatur sowie mit simulationsgestützten Modellen. Hydrologische Simulationen berechnen Abfluss, Ausbreitung und Überflutungstiefen, während Wärme- und Stadtklimamodule Hitzestress anhand physiologischer Indizes kartieren.

Praktische Beispiele sind der Klimaatlas des LANUK NRW und die KI-gestützten hydrodynamischen Modellierungen der FloodWaive GmbH. Sie simulieren Szenarien unter verschiedenen Annahmen und ermöglichen so Risikobewertungen. Der Klimaatlas kartiert Temperatur-, Niederschlags- und Überflutungsmodelle, während sich die echtzeitnahen Modelle von FloodWaive auf Hochwasserschutz und Überflutungsvorhersagen konzentrieren. Die Karten helfen der Bevölkerung, Kommunen und Behörden, Risiken zu erkennen.

Von Alessia Czehak

Werkstoffe: Kühlen ohne Strom – smarte Klimamaterialien

Laut Deutschem Wetterdienst hat sich die Zahl heißer Tage über 30 °C seit 1950 von drei auf zwölf vervierfacht. Vor allem in Städten ist dies eine Belastung für die Gesundheit. Die Versuchung ist groß, mit Klimaanlagen Abhilfe zu schaffen – doch das treibt den Energieverbrauch in die Höhe und verursacht zusätzliche Wärmebelastung.

Eine smarte Alternative sind passiv wirkende Klimamaterialien an Gebäuden. Sie sorgen für spür- und messbare Kühlung ohne Energieverbrauch, indem sie physikalische Effekte wie Reflexion und Emission, Strahlungswärme, Kapillarwirkung und Verdunstungskühle nutzen.

Viele dieser Lösungen werden derzeit erforscht. Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie untersucht zum Beispiel Phasenwechselmaterialien, die in Putze und Wände eingebaut werden. Auch marktreife Lösungen sind verfügbar: Es gibt spezielle Anstriche für Fassaden und Innenräume, die die Wärmelast senken. In Innenräumen sorgt die Fähigkeit der Farbe, Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen und langsam zu verdunsten, für einen spürbaren Kühleffekt. Fassaden­anstriche reflektieren zusätzlich zum Verdunstungseffekt über 90 % der Sonneneinstrahlung. Andere Lösungen sind Hitzeschutzfolien sowie Dach- und Fassadenbegrünungen.

Von Christiane Ploetz

Medizin, Landwirtschaft, Umwelt, Energie: Synthetische Proteine

Proteine, umgangssprachlich auch Eiweiße genannt, sind für viele Prozesse in Lebewesen essenziell. Das wachsende Verständnis ihrer flexiblen Funktionsweisen hat neben der Medizin und Landwirtschaft auch in verschiedenen Bereichen der industriellen Produktion zu zahlreichen Anwendungen geführt. Für deren Entwicklung ist es entscheidend, die atomare Struktur der Proteine zu kennen, da sich daraus ihre spezifischen Funktionsweisen ableiten lassen. Durch künstliche Intelligenz können dreidimensionale Proteinstrukturen mittlerweile in guter Näherung berechnet werden.

Diese Erkenntnisse verbessern nicht nur bestehende proteinbasierte Anwendungen, sondern ermöglichen es auch, synthetische Proteine mit neuen Eigenschaften am Reißbrett zu entwerfen. Im Bereich der Umwelttechnik können neue Enzyme die klimaschädlichen Gase Kohlenmonoxid und -dioxid in werthaltige Chemikalien umwandeln. Auch durch künstliche Fotosynthesesysteme könnte Kohlendioxid gebunden und gleichzeitig Wasserstoff produziert werden. Vielversprechend ist auch die Eigenschaft des Proteins Lanmodulin, selektiv Metalle der Seltenen Erden zu binden. Synthetische Derivate von Lanmodulin könnten künftig beim Recycling von Elektroschrott eingesetzt werden.

Von Matthias Braun

Medizin: Kaugummi als Schnelltest für Grippeviren

Grippeerkrankungen breiten sich u. a. deshalb so schnell aus, weil sie häufig zu spät erkannt werden. Eine neue, patentierte Erfindung soll in ca. vier Jahren helfen, Infektionswellen einzudämmen: Ein Kaugummi erzeugt beim Erkennen von Influenzaviren einen charakteristischen Thymiangeschmack. Der einfache Schnelltest nutzt ein Enzym des Grippevirus.

Grippeviren müssen sich zu ihrer Verbreitung von den Wirtszellen ablösen. Zu diesem Zweck ist auf ihrer Oberfläche das Enzym Neuraminidase lokalisiert, das ihre Ablösung ermöglicht. Diesen Angriffspunkt verwenden auch Neuraminidase-Hemmer, z. B. Tamiflu zur Linderung des Krankheitsverlaufs. Das Kaugummi enthält ein Sensormolekül, das aus Thymol und einer weiteren Komponente besteht, die an das Thymol gebunden ist.

Wenn Grippeviren im Speichel vorhanden sind, wird Thymol durch ihre Neuraminidasen freigesetzt und nach etwa 30 min entsteht der typische Thymiangeschmack. Das Sensormolekül wurde so gestaltet, dass es nur auf virale und nicht auf bakterielle Neuraminidasen reagiert. So ist eine Unterscheidung zwischen Grippe und einfacher Erkältung möglich. Das Testprinzip ist auf weitere virale und bakterielle Erreger übertragbar.

Von Matthias Braun

Stahlindustrie: Blitzschnelles Roheisen

Die übliche Roheisenherstellung im Schachtofen – ob koksbasiert oder mittels Wasserstoff-Direktreduktion – ist ein Verfahren im großen Maßstab, das mehrere Stunden dauert. Anders verhält es sich bei der Flash-Eisenherstellung. Hier wird fein vermahlenes Erz über eine spezielle Wirbellanze in einen extrem heißen Reaktor injiziert. Die Partikel reagieren in wenigen Sekunden, wobei sich flüssige Eisentröpfchen bilden, die zu einem Eisenstrom zusammenlaufen.

Der Unterschied zum Hochofen ist groß: eine kompakte Anlage mit Ausmaßen von weniger als 5 m und eine schnelle Dynamik binnen Sekunden, koksfrei statt koksbasiert. Da die Wärmequelle auch elektrisch oder wasserstoffbasiert sein kann, ist eine kohlendioxidarme Herstellung möglich.

Dieses Flash-Smelting kommt aus den USA; einer der Verfahrenswege wurde 2013 von Wenhai Zhang von der Universität Xinjiang patentiert und seitdem verbessert – vor allem die Verteilung mittels der Erzsprühlanze. Das Verfahren eignet sich auch für Erze mit niedrigem Ertrag, wie sie in China selbst abgebaut werden, denn Erze mit hohem Ertrag müssen importiert werden.

Von Oliver S. Kaiser

Kreislaufwirtschaft: Nickel zerlegt unsortierte Polymere

Im Abfallstrom der Kunststoffe erreicht ein viel zu geringer Anteil das Recycling. Das mechanische Recycling zu neuem Granulat benötigt eine sortenreine Sortierung. Auch beim konventionellen chemischen Recycling sind die Reinheit der Ausgangsmaterialien, die Ausbeute sowie – wegen der hohen Temperaturen – die Kosten von Bedeutung.

Ein neuer Ansatz ist das präzise katalytische Cracken mit einem nickelbasierten Katalysator, der Polyolefine wie Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP), die zwei Drittel des Kunststoffverbrauchs ausmachen, gezielt in Öle und Wachse spaltet – fast ohne Vorsortierung. Selbst PVC-Verunreinigungen stören nicht, sondern erhöhen sogar die Reaktionsgeschwindigkeit.

Der Katalysator ist wiederverwendbar und setzt auf reichlich verfügbares Nickel, nicht auf Edelmetalle. Entwickelt wurde das Verfahren von Forschenden der US-amerikanischen Northwestern University.

Von Oliver S. Kaiser

Gebäudetechnik: Automatisch Schatten ohne Strom

Gebäude mit Klimaanlagen zu kühlen ist nicht nur teuer, ihr Energieverbrauch befeuert auch noch den Klimawandel – ein Teufelskreis. Umso wertvoller sind Lösungen, die Gebäude passiv und dennoch automatisch durch Abdunklung kühlen. Diese Ansprüche erfüllt das bioinspirierte „Solar Gate“, ein von Forschenden der Universitäten Stuttgart und Freiburg entwickeltes energieautarkes Fassadensystem.

Seine Elemente öffnen oder schließen sich je nach Lufttemperatur und Feuchtigkeit und basieren auf den Bewegungsmechanismen von Kiefernzapfen. Die hydromorphe, also auf Feuchtigkeit reagierende Zellulose quillt auf, was zur Verschattung führt.

Die Herstellung erfolgt mittels durchdachtem 3D-Druck, um die Schichtdicke, die Faserausrichtung und die Materialzusammensetzung so zu steuern, dass sich spezifische Elemente gezielt biegen. Labor- und Freilandtests waren positiv, auch hinsichtlich Veränderungen durch UV-Belastung. Der Einsatz auf großen Glasflächen ist also schon bald möglich – ohne Wartungsaufwand und Strombedarf.

Von Oliver S. Kaiser

Umwelttechnik: Den Ewigkeitschemikalien ein Ende bereiten

Die Gruppe der per- und polyfluorierten Alkylverbindungen (PFAS) wird als Ewigkeitschemikalien bezeichnet. PFAS sind extrem langlebig, reichern sich in der Nahrungskette an und können die Leber schädigen sowie Krebs verursachen. Weil sie Wasser, Fett und Hitze abweisen, stecken sie in zahlreichen Alltagsprodukten – von beschichteten Pfannen über Funktionskleidung und Kosmetik bis hin zu Lebensmittelverpackungen und Feuerlöschschäumen.

Ein Forschungsteam der University of Adelaide hat nun einen Katalysator entwickelt, der PFAS vollständig in ungefährliche Bestandteile wie etwa Fluorid zerlegen kann. Die Katalysatoroberfläche besteht aus Cadmium-Indium-Sulfid-Pyramiden, die mittels UV-Einstrahlung, ähnlich wie durch Sonnenlicht, aktiviert werden.

Das stellt einen vielversprechenden Ansatz im Vergleich zur bisher aufwendigen Aktivkohlefiltration und Entsorgung dar. Bis zu einer Abwasserbehandlung mit dem neuen Katalysator muss dieser aber noch stabiler werden und vor allem unter realen Wasserbedingungen zuverlässig funktionieren. In einigen Jahren könnte die neue Technologie dann etabliert sein.

Von Oliver S. Kaiser

Chemie: Von der Reaktionsgleichung zur Chemie im Hyperraum

Traditionell werden chemische Reaktionsgleichungen unter Nennung der Ausgangsstoffe und Endprodukte geschrieben. Seltener finden sich zusätzliche Angaben zu den Reaktionsbedingungen wie Druck und Temperatur. Realistischer wäre es aber, an ein mehrdimensionales Kontinuum von Reaktionsbedingungen zu denken, das als „Hyperraum“ bezeichnet wird.

Jede Dimension steht darin für eine einzelne Reaktionsbedingung, beispielsweise die Konzentrationen der Ausgangsstoffe oder die Temperatur. Experimentell kann eine Reaktionsbedingung kontinuierlich variiert und dabei untersucht werden, wie sich damit das Ergebnis der Reaktion entsprechend ändert. Das ist mühsam und zeitaufwendig. Forschenden aus Südkorea ist es nun gelungen, mithilfe von KI und einem kostengünstigen Laborroboter beispielhaft Hyperräume chemischer Reaktionen anhand von Tausenden von Datenpunkten zu kartieren.

Dabei konnten sie bestätigen, dass sich bei kontinuierlichen Reaktionsparametern auch die Ausbeuten im Allgemeinen eher allmählich ändern. Allerdings wurden bislang unbekannte Regionen im Hyperraum mit überraschend hoher Reaktivität entdeckt, ebenso wie Umschlagspunkte bei den Hauptendprodukten von Reaktionen und versteckte Zwischenprodukte.

Von Dirk Holtmannspötter

Biotechnologie, Landwirtschaft: Pflanzen ungeschlechtlich vermehren für neuartige Saaten

In der Landwirtschaft sind für den Anbau von Nutzpflanzen sogenannte Hybridsorten weit verbreitet. Diese Sorten werden speziell gezüchtet, um die Leistungsfähigkeit der Pflanzen und meist auch deren Ertrag zu optimieren. Allerdings verlieren die Nachkommen dieser Hybriden zumeist einen Teil ihrer gezüchteten Eigenschaften und eignen sich daher nicht mehr so gut für die Neuaussaat. Saatgut für bestimmte Hybriden muss also in jedem Jahr neu gekauft werden.

Es gibt jedoch eine ungeschlechtliche Fortpflanzung von Pflanzen, die als Apomixis bezeichnet wird und in der Natur bei mehr als 300 Arten vorkommt. Seit Jahrzehnten wird daran geforscht, Apomixis auch auf Nutzpflanzen wie Reis, Mais oder Hirse zu übertragen. Forschende sehen eine Revolution in der Landwirtschaft bevorstehen, weil es möglich werden könnte, die Eigenschaften von Hybriden über Generationen zu bewahren. Das würde den jährlichen Neukauf von Saatgut überflüssig machen. In letzter Zeit sind in diesem Kontext Fortschritte zu verzeichnen – so wird beispielsweise im Projekt Hy-Gain an Hirse geforscht, um selbstreproduzierendes Saatgut für hybride Hirse-Sorten zu entwickeln.

Von Dirk Holtmannspötter

Kreislaufwirtschaft: Phytomining – der grüne Bergbau

Für die Energiewende werden immer mehr kritische Metalle wie Nickel, Kobalt und Seltene Erden benötigt. Der konventionelle Bergbau liefert sie zwar, zerstört dabei jedoch Landschaften, verbraucht Unmengen an Wasser und setzt Schadstoffe frei. Als Gegenentwurf gilt das Phytomining. Bei diesem Verfahren nehmen spezialisierte Pflanzen, sogenannte Hyperakkumulatoren, Metalle über ihre Wurzeln aus dem Boden auf.

Nach der Ernte wird die Biomasse zu Asche verbrannt, aus der die Metalle anschließend extrahiert werden. Das Verfahren hat ökologisches Potenzial: Die Pflanzen gedeihen auf metallbelasteten Flächen, die für die Nahrungsmittelproduktion ungeeignet sind. So sanieren sie den Boden und liefern gleichzeitig Rohstoffe.

Wirtschaftlich stößt die Methode jedoch an Grenzen: Natürliche Pflanzen bringen nur geringe Erträge pro Fläche und können mit dem industriellen Abbau nicht konkurrieren. Start-ups versuchen daher Pflanzen zu züchten, die schneller wachsen und mehr Metall aufnehmen. Phytomining könnte so den Bergbau dort ergänzen, wo Boden­sanierung und Rohstoffgewinnung zusammenfallen.

Von Thomas Werner

Generative KI für die Konstruktion

Ein neuartiges KI-Modell könnte einen Sprung für die digitale Konstruktion bedeuten: Das Unternehmen Spectral Labs hat mit SGS-1 ein System vorgestellt, das aus einem Foto, einer Skizze oder einem groben 3D-Modell eine vollständige, parametrisierte Geometrie erzeugt. Damit steht eine generative KI zur Verfügung, die nicht nur Formen nachahmt, sondern echte Konstruktionsarbeit übernimmt.

Das Modell erkennt räumliche Beziehungen, erfasst Konturen korrekt und liefert ein virtuelles Bauteil, das sich wie gewohnt als CAD-Modell modellieren lässt. Durchmesser, Bohrungen und Flächen bleiben allesamt editierbar. Die Methode ist besonders bei Halterungen, Lagern oder Gehäusen effektiv.

Der Konstrukteur beschreibt die Aufgabe knapp, ergänzt ein Bild der Baugruppe, und das Modell liefert passende Varianten. Für Routineaufgaben entfällt das manuelle Nachbauen. Auch beim Reverse Engineering punktet der Ansatz: Scans werden zu bearbeitbaren 3D-CAD-Modellen. Thomas Werner

Medizin: Oxidation zerstört Krebszellen

Aktuelle Krebsbehandlungen konzentrieren sich auf den Primärtumor, scheitern aber oft daran, Krebszellen zu eliminieren, die ein hohes Potenzial für Metastasierung aufweisen. In 70 % der Fälle führen Metastasen zum Krebstod.

Ein Forschungsteam des französischen Curie-Instituts, des CNRS und des Nationalen Instituts für Gesundheit und medizinische Forschung fand heraus: Krebszellen reichern bestimmte Metalle wie Eisen oder Kupfer an, die sie widerstandsfähiger gegen Chemotherapien machen und ihnen ermöglichen, sich leichter im Körper auszubreiten und Metastasen zu bilden.

Das Team entwickelte ein Molekül namens Fento-1, das in resistente Krebszellen eindringt und Ferroptose induziert, einen durch Eisen katalysierten Zelltodprozess. Die Wirksamkeit des Verfahrens zeigten bislang präklinische Modelle für metastasierenden Brustkrebs und Laborstudien mit Bauchspeicheldrüsenkrebs und Sarkomen.

Von Sylvie Rijkers-Defrasne

Medizin: Nano-basierter Impfstoff verhindert aggressiven Krebs

Angesichts der weltweit rund 9,7 Mio. Krebstoten jährlich wecken die Forschungsergebnisse eines Teams der University of Massachusetts Amherst (UMass Amherst) Hoffnung.

Das Team entwickelte einen Impf- bzw. Wirkstoff gegen verschiedene aggressive Krebsarten, der lipidbasierte Nanopartikel mit abgetöteten Krebszellen aus Tumorgewebe (Tumorlysate) kombiniert. Die lipidbasierten Nanopartikel setzen im Körper unterschiedliche Adjuvanzien gleichzeitig frei und aktivieren dadurch das Immunsystem auf mehrere Arten, was zu einer starken und langanhaltenden T-Zell-Antwort führt.

In Versuchen an Mäusen stießen geimpfte Tiere mit vorhandenem Bauchkrebs-, Brustkrebs- oder Hautkrebstumor mehrheitlich ihren Tumor komplett ab, während tumorfreie geimpfte Tiere trotz systemischer (Re-)Exposition mit Krebszellen keine Tumore entwickelten. Laut der Forschungsgruppe könnte – sollten die Ergebnisse auf den Menschen übertragbar sein – der Ansatz zu neuen, sowohl präventiven als auch therapeutischen Krebsbehandlungen führen. Das von der Forschungsgruppe ausgegründete Start-up NanoVax Therapeutics soll weitere Forschungsarbeiten vorantreiben und einen möglichen Impfstoff auf den Markt bringen.

Von Sylvie Rijkers-Defrasne

Halbleitertechnologie: Photonischer Chip – schnell, effizient, made in Europe?

Der KI-Boom treibt den Bedarf an Rechenzentren und damit den Stromverbrauch stark in die Höhe. Zugleich ringt die Elektronikbranche um schnellere, energieeffiziente Prozessoren. Photonische Chips, die mit Licht statt Elektronen rechnen, könnten einen Paradigmenwechsel ermöglichen.

Solche Chips nutzen paralleles, analoges Rechnen mit unterschiedlichen Lichtwellenlängen, was eine hohe Rechenleistung bei geringem Energiebedarf ermöglicht. Sie erzeugen zudem im Gegensatz zu elektronischen Chips kaum Wärme und erfordern somit keine Kühlung.

Photonische Chips arbeiten analog, eignen sich deshalb besonders zur Berechnung von sich kontinuierlich ändernden Prozessen, wie sie in der Natur stattfinden. Photonisches Computing wird seit Jahrzehnten erforscht; Fehleranfälligkeit und Skalierbarkeit stellten aber bisher Herausforderungen dar. Heute sind Unternehmen wie Akhetonics (Berlin/München), Lumai (Oxford) oder Q.ANT (Stuttgart) mit unterschiedlichen Ansätzen im Rennen – sollten sie Erfolg haben, wären photonische Chips „made in Europe“ möglich.

Von Sylvie Rijkers-Defrasne

Robotik: Roboterhand mit Feingefühl

In der Robotik stellt die Entwicklung von Roboterhänden, die sich an die Dynamik realer Umgebungen anpassen, eine zentrale Herausforderung dar. Insbesondere aufgrund des unzureichenden taktilen Feedbacks hatten Robotersysteme bislang Schwierigkeiten, in dynamischen Umgebungen menschliche Fähigkeiten zu erreichen.

Forschende des Beijing Institute for General Artificial Intelligence, der Peking University und der Queen Mary University of London haben nun das erste biomimetische Roboterhandsystem entwickelt, das hochauflösende taktile Wahrnehmung der gesamten Hand mit umfassenden Bewegungsmöglichkeiten kombiniert. Durch die Integration hochauflösender Berührungssensoren wird adaptives, menschenähnliches Greifen ermöglicht.

Die innovative „F-TAC Hand“ verfügt über eine besonders umfassende sensorische Ausstattung. Das optimierte Handdesign ermöglicht zudem die volle Beweglichkeit analog zu einer menschlichen Hand, wodurch alle 33 dokumentierten menschlichen Greifarten ausgeführt werden können. Umfangreiche Evaluierungen in 600 realen Versuchen belegen die signifikante Überlegenheit dieses taktil integrierten Systems gegenüber Alternativen ohne taktile Rückmeldung. Eva Cebulla

Foto: BiancoBlue/Smarterpix

Erneuerbare Energien: Effiziente Katalysatoren für die Wasserstoffwirtschaft

Ein wesentlicher Aspekt für das Gelingen der Wasserstoffwirtschaft ist die Effizienz von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen. Die Katalysatorschicht, in der die elektrochemischen Reaktionen ablaufen, bildet den Kern dieser Technologien. Unternehmen wie Hydrogenea aus Gelsenkirchen revolutionieren nun deren Herstellung durch innovative Beschichtungsverfahren, die hochgradig poröse Schichten auf Membranen oder Gasdiffusionsschichten erzeugen.

Diese Struktur ermöglicht eine optimale Ausnutzung der teuren Katalysatormaterialien, da die poröse Architektur die reaktive Oberfläche um ein Vielfaches vergrößert. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit deutlich gesteigert. Die Technologie kann in zahlreichen Anwendungen genutzt werden und ist kompatibel mit unterschiedlichen Systemen, darunter Protonen-Austausch-Membran (PEM) oder Anionen-Austausch-Membran (AEM). So wird der Weg für die nächste Generation von Wasserstofftechnologien geebnet.

Von Lukas Verhofstad

Additive Fertigung: 3D-Druck neu gedacht – stärker, glatter, schneller

Die additive Fertigung könnte die Produktion revolutionieren, stößt jedoch häufig an Grenzen, wenn es um mechanische Belastbarkeit und Oberflächengüte geht. Die Ursache ist die konventionelle Fertigung in Schichten und ebenen Lagen. Eine neue Generation von Software bricht mit diesem Prinzip und ermöglicht eine nichtplanare, dreidimensionale Bahnplanung für den Druckkopf.

Die Werkzeugwege, die auf den Kraftfluss im Bauteil abgestimmt werden, erhöhen die Festigkeit und Steifigkeit der Komponenten erheblich und verringern die Oberflächenrauheit deutlich. Die Technologie benötigt keine kostspieligen Spezialmaschinen, sondern kann mit herkömmlichen 3D-Druckern und Gelenkarmrobotern angewendet werden.

Unternehmen wie Layer Performance aus Aachen ermöglichen es, diese Hochleistungstechnologie in einem breiten industriellen Kontext zu nutzen. Die Technik kann für verschiedenste Anwendungsgebiete genutzt werden, von Kunststoffen und Metallen über Beton und Holz bis hin zu vielen weiteren Materialien.

Von Lukas Verhofstad

Nachhaltiges Bauen: CO₂ wird zum Wertstoff für den Betonbau

Die Zementindustrie zählt zu den größten CO₂-Emittenten weltweit. Eine revolutionäre Technologie kehrt dieses Prinzip um und verwandelt das klimaschädliche Gas in einen wertvollen Rohstoff für die Bauindustrie. Dabei wird Kohlendioxid dauerhaft gebunden und in hochleistungsfähige zementäre Zusatzstoffe (SCMs) umgewandelt.

Diese Pulver können herkömmlichem Zement zugesetzt werden und verbessern sogar dessen Eigenschaften: Die Robustheit und Langlebigkeit der Betonkonstruktionen nehmen zu. Dieser CO₂-Upcycling-Ansatz trägt nicht nur zur Dekarbonisierung des Bausektors bei, sondern schafft auch eine neue Wertschöpfungskette aus einem ehemaligen Abfallprodukt.

Pioniere wie Co-reactive aus Aachen stellen die SCMs bereits für verschiedene Industrien zur Verfügung, darunter die Zement-, Baustoff-, Papier- und Polymerbranche. So wird CO₂ branchenübergreifend von einer Umweltbelastung zur nachhaltigen Ressource.

Von Lukas Verhofstad

Zivile Sicherheit/Verkehrsinfrastrukturen: Wie fit sind unsere Brücken?

Allein im Netz der deutschen Autobahnen und Bundesstraßen gibt es rund 40.000 Brücken, hinzu kommen 25.700 Eisenbahnbrücken sowie diverse Tunnel und andere Bauwerke. Viele dieser Infrastrukturbauwerke sind sanierungsbedürftig. Ihre Kontrolle und Instandhaltung stellen eine entsprechend große Herausforderung dar.

Das vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt AISTEC-PRO entwickelt dafür eine Lösung: ein System, das mithilfe von Drohnen, KI und 3D-Visualisierung Schäden an Bauwerken frühzeitig erkennen und bewerten kann. Dafür werden am Objekt z. B. akustische oder faseroptische Sensoren angebracht, während Drohnen mit hochauflösenden Kameras zusätzlich wichtige Daten liefern. All diese Informationen fließen in einem 3D-Bauwerksmodell zusammen.

Mögliche Schäden wie Rissstrukturen können an diesem digitalen Zwilling exakt abgebildet werden. Eine integrierte KI erkennt Beschädigungen dabei viel besser als das menschliche Auge. Ein weiterer Clou: Nach mehreren Scandurchgängen werden die Bilder mit einer speziellen Software virtuell übereinandergelegt, sodass kleinste Veränderungen in der Oberflächenstruktur und Verformungen erkannt und ausgewertet werden können.

Von Daniela Metz

Zivile Sicherheit/Drohnenabwehr: Drohnenabwehrsystem für Polizei

Wie können Sicherheitskräfte Drohnen schnell erkennen und abwehren? Im Gegensatz zu militärischen Operationen können Drohnen über Großveranstaltungen, Flughäfen und weiteren Sperrgebieten nicht einfach abgeschossen werden, da sie beim Absturz Schäden verursachen oder gar Menschen treffen könnten.

In dem vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekt IDAS-PRO wurde daher ein Prototyp für ein spezielles Drohnenabwehrsystem für Polizeien und Sicherheitskräfte entwickelt. Das System ist modular aufgebaut und transportabel. Es besteht aus einer Kombination verschiedener Sensoren, u. a. einem Radarsystem, Funkpeiler und miniaturisierten Kameras. Die Kamerasensoren können dank eines eingebauten, automatisierten Kalibrierungssystems die georteten Drohnen automatisch im Luftraum verfolgen.

Zur Drohnenabwehr steht ein Jammer zur Verfügung, der die Steuerung und Datenübertragung des Flugobjekts stört. Dann steigt eine Abfangdrohne auf, die die fremde Drohne mit einem Netz einfängt und gezielt zu Boden bringt. Aktuell arbeiten die Projektpartner daran, das System zu einer marktreifen Lösung weiterzuentwickeln.

Von Daniela Metz und Olav Teichert

Zivile Sicherheit/Bevölkerungsschutz: Schnelle medizinische Versorgung in Krisen und Katastrophen

Durch Naturkatastrophen wie Überschwemmungen können ganze Gebiete weitläufig von Arztpraxen, Apotheken oder Krankenhäusern abgeschnitten werden. Doch gerade dann ist am Unglücksort eine möglichst schnelle medizinische Versorgung von Kranken und Verletzten entscheidend.

Das vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt KABINE hat daher Medizintechnikkomponenten wie Blutdruckmessgerät, Stethoskop, Thermometer oder EKG in eine Standard-Toilettenkabine eingebaut. Vorteil ist zum einen, dass die so umgebauten Mini-Arztpraxen zügig in Krisen- und Katastrophengebiete transportiert werden können, zum anderen können die Menschen vor Ort in diesen Kabinen erste medizinische Untersuchungen selbstständig vornehmen.

Herzstück ist dabei ein integriertes Videosystem, über das zugeschaltete Teleärztinnen und -ärzte die Patientinnen und Patienten aus der Ferne anleiten und beraten. Dank Satellitenanbindung und autarker Energieversorgung bleibt die Kabine auch dann einsatzfähig, wenn weder Strom noch Internet verfügbar sind – ein entscheidender Vorteil, um die medizinische Versorgung nach einem Ereignis zügig zu gewährleisten.

Von Daniela Metz

Zivile Sicherheit/Bevölkerungsschutz: Hilfe in Notfällen besser steuern

Ob bei der Überflutung des Ahrtals oder während der Coronapandemie: Spontanhelfende spielen bei der Bewältigung großer Einsatzlagen eine entscheidende Rolle. Das Problem ist jedoch, dass die spontane Hilfe in der Hektik des Augenblicks und in unübersichtlichen Krisenlagen oft nicht dort ankommt, wo sie gerade dringend benötigt wird.

Das vom Bundesforschungsministerium geförderte Projekt KatHelfer-PRO hat eine Plattform inklusive App entwickelt, mit der Spontanhelfende in die Einsatzführung von Rettungsorganisationen eingebunden werden können.

Das neue System schließt dabei eine Lücke: Es stellt eine Schnittstelle zwischen Apps für Spontanhelfende auf der einen Seite und der Einsatzführungssoftware für professionelle Einsatzkräfte auf der anderen Seite dar. So können Unterstützungsbedarfe vonseiten der Gefahrenabwehr zielgerichtet an die Bevölkerung kommuniziert und koordiniert werden.

Von Daniela Metz

Zivile Sicherheit/Bevölkerungsschutz: Wie Drohnen und KI bei der Vermisstensuche helfen

Grundidee des vom Bundesforschungsministerium geförderten Projekts KIResQ ist die Suche nach Vermissten über eine KI-Liveauswertung von Wärmebildern, die mit Drohnen aufgenommen werden. Der Vorteil ist, dass in vielen Einsatz- und Rettungsorganisationen Drohnen mit Wärmebildkameras inzwischen zur Standardausrüstung gehören. Doch es ist nicht leicht, in Wärmebildern über Stunden nach bestimmten kleinen Signaturen zu suchen, die eventuell Menschen sind.

Da kommt eine KI ins Spiel. Sie identifiziert vermisste Personen auf Infrarotbildern schneller und zuverlässiger, selbst wenn diese nur wenige Pixel groß sind. Dafür wurde die KI im Projekt mit über 10.000 Infrarotbildern angelernt. Zudem wurde eine Software entwickelt, mit der Teams von unterschiedlichen Rettungsorganisationen Drohnen in Einsatzgebieten gleichzeitig koordinieren und einzelnen Sektoren zuweisen, die dann automatisiert abgeflogen werden.

Von Daniela Metz

Galliumnitrid: Effizienter Halbleiter

Galliumnitrid (GaN) gilt als eines der vielversprechendsten Materialien für die nächste Generation elektronischer Bauelemente. Im Vergleich zum klassischen Halbleitermaterial Silizium weist GaN eine höhere Durchbruchspannung, eine schnellere Schaltgeschwindigkeit und eine höhere Temperaturbeständigkeit auf.

Sowohl in der Leistungselektronik, etwa für Ladegeräte, Elektrofahrzeuge oder industrielle Stromversorgungssysteme, als auch in der Hochfrequenztechnik, z. B. für 5G-Netze, Satellitenkommunikation oder Radarsysteme, ermöglicht GaN effizientere, kompaktere und energieeinsparende Lösungen. In der aktuellen Fachdiskussion gilt GaN als eine der Schlüsseltechnologien für die Energiewende, Digitalisierung und Elektromobilität.

Auch große deutsche Unternehmen wie Infineon investieren intensiv in die Entwicklung und Fertigung von GaN-Chiptechnologien. Zudem wird GaN im Rahmen europäischer Halbleiterinitiativen als strategisch wichtig eingestuft, um die technologische Souveränität Europas langfristig zu stärken.

Von Luciana Hutapea