Neue Technologien 21.12.2012, 18:28 Uhr

Technologies to watch Teil 2

Technologien, die in den nächsten Jahren von sich reden machen werden. Das VDI Technologiezentrum und die VDI nachrichten stellen Technologien und Produkte vor, die die Wettbewerbsfähigkeit von Regionen und Unternehmen beeinflussen können.

Deutschland ist eines der forschungsstärksten Länder Europas.

Deutschland ist eines der forschungsstärksten Länder Europas.

Foto: DFKI

Deutschland zählt zu den forschungsstärksten Ländern Europas. Davon ist Sascha Hermann, Geschäftsführer des VDI-Technologiezentrum, Düsseldorf, überzeugt. Die Gründe laut VDI-TZ: Die Gesamtausgaben für Forschung und Entwicklung (FuE) stiegen in Deutschland in den Jahren 2000 bis 2010 um 37 %. Nach dem „Bundesbericht Forschung und Innovation 2012“ erreichten sie trotz Finanz- und Schuldenkrisen in 2010 einen Wert von 70 Mrd. €. Mit einem Welthandelsanteil von knapp 12 % für forschungsintensive Waren gehört Deutschland zu den führenden Exporteuren von Technologiegütern.

Fast jedes zweite deutsche Unternehmen ist innovationsaktiv. Dies geht aus der „Innovationserhebung 2011“ des Zentrums für Europäische Wirtschaftsforschung GmbH (ZEW), Mannheim, hervor. Im „Innovation Union Scoreboard 2011“ der Europäischen Kommission kommt Deutschland auf Rang 3 (hinter Dänemark (2) und Schweden (1)) und gehört damit zur Gruppe der „Innovationsführer“ in Europa. Doch der weltweite Wettbewerb um neue Entwicklungen zieht an. Eine Herausforderung stellt der Anstieg des Pro-Kopf-Verbrauchs an Energie, sonstigen Rohstoffen und Lebensmitteln dar. Neue Konzepte zum verantwortungsbewussten Umgang mit Ressourcen werden entwickelt, bieten wirtschaftliche Chancen. Auf dem globalen Markt für Umwelttechnik und Ressourceneffizienz erreichen deutsche Unternehmen einen Marktanteil von 15 %. (Quelle: BMBF) In die Bedarfsfelder Klima/Energie, Gesundheit/Ernährung, Kommunikation, Mobilität und Sicherheit sowie in die Förderung übergreifender Schlüsseltechnologien investiert die deutsche Bundesregierung bis 2013 im Rahmen der Hightechstrategie insgesamt 27 Mrd. €.

Mit Funkchips zum Internet der Dinge

Mit einem Mobilfunkmodul und entsprechenden Übermittlungsprozessen nebst Software ausgestattet, lassen sich Baumaschinen, Automaten und Industrieanlagen weitgehend ohne menschliches Zutun verwalten. M2M, Machine-to-Machine-Kommunikation, nennen Experten diese Systeme, die künftig wichtige Bauteile des Internets der Dinge sein werden. Das Potenzial dieser Technik ist gewaltig. Rund 35 Mio. M2M- Module wurden 2011 verkauft, bis 2016 sollen es nach Beecham Energy knapp unter 100 Mio. Stück sein. Der europäische M2M-Markt wächst jährlich um 12 %, so die Marktforscher von IDC. In fünf Jahren soll das globale Marktvolumen mit Machine-to-Machine-Diensten laut der Strategieberatung Booz, bei 19 Mrd. $ liegen. Ein gigantischer Kuchen, an dem viele mitessen wollen – klassische Mobilfunkunternehmen ebenso wie Netzausstatter und IT-Giganten. Andere, wie der Spezialist Telit, schnitzen an Angeboten für Mittelständler.

Car-to-X-Technologie: Funk und Sensorik machen Autos schlau

Assistenten helfen, gefährliche Situationen wie das plötzliche Abbremsen eines voranfahrenden Fahrzeugs zu meistern.

Automobilelektronik: 2012 startete still und leise rund um Frankfurt herum ein Feldversuch, der in Europa seinesgleichen sucht. Das Konsortium SIM-TD (Sichere Intelligente Mobilität – Testfeld Deutschland) will dort zeigen, wie Verkehr dank Fahrzeugkommunikation mit anderen Fahrzeugen, aber auch mit Infrastruktur sicherer und möglichst auch staufreier vonstatten gehen kann. Erste Ergebnisse will das Konsortium, in dem sich die Crème de la Crème der deutschen Automobilbauer, Zulieferer, Forschungsinstitute, Unis, das Land Hessen und Bundesministerien zusammengeschlossen haben, 2013 vorlegen. Europäischen Standardisierungsgremien sollen die Resultate zur Verfügung stehen.

Fest steht: Künftig werden Sensoren, WLAN, Mobilfunk und Satellitentechnik in Kombination warnen und jede Menge Informationen in Fahrzeuge liefern. Zum Beispiel Autofahrer vor Baustellen und Hindernissen warnen, Straßenschilder oder Ampelschaltungen erkennen und dem Fahrer Hinweise geben. Eine neue Entwicklung von Continental zeigt: Vieles ist möglich und machbar. So sollen Fahrerassistenzsysteme helfen, die tödliche Gefahr von Geisterfahrern einzudämmen. Das System erkennt die Verkehrsschilder „Einfahrt verboten“, die demnächst vor Autobahnauffahrten aufgestellt werden sollen. Nach der Kameraaufnahme wird sofort gewarnt, visuell als Anzeige, akustisch als Warnton und vielleicht auch haptisch. Ein großer deutscher Automobilhersteller will dieses Assistenzsystem im nächsten Jahr in Serie gehen lassen, heißt es bei Conti.

Mit intelligenten Verkehrs- und Energienetzen zu mehr Effizienz

Mit dem Auf- und Ausbau moderner Breitbandnetze – ob Mobilfunk oder Glasfaser – wollen die Netzbetreiber „den Sprung in die Gigabit-Gesellschaft ermöglichen“, wie Telekom-Chef René Obermann es anlässlich des IT-Gipfels 2012 am 13. November in Essen formulierte. Jetzt gelte es die nächste Stufe der Vernetzung anzugehen: Den Aufbau intelligenter Infrastruktur in fünf gesellschaftlichen Kernbereichen. Dies sind Energie, Gesundheit, Verkehr, Bildung und Verwaltung.

Obermann ist überzeugt: „Der Aufbau dieser intelligenten Netze ist das wohl größte und wichtigste Infrastrukturprojekt der kommenden Dekade.“ Als intelligente Netze bezeichnet die Arbeitsgruppe 2 des IT-Gipfels Lösungen, die netzbasiert eine Regelung oder Koordination unterschiedlicher technischer Geräte ermöglichen. Das kann vom einfachen Smart Meter, über telemedizinische Geräte bis hin zu einem komplexen Verkehrsmanagementsystem reichen. Ziel soll sein, Prozesse besser zu managen, ihre Effizienz zu steigern, Verbrauch und Erzeugung miteinander zu koppeln und so Ressourcen zu schonen. Außerdem soll die Vernetzung für neue Anwendungen sorgen.

Die Netze gelten als Voraussetzung für Großprojekte. „Die eigentliche Energiewende findet im intelligenten Netz statt“, betont Alf Henryk Wulf, Chef von Alstom Deutschland. Doch, die Herausforderungen sind enorm. Im vielbeschworenen Smart Grid muss beispielsweise eine Vielfalt von Daten in Echtzeit miteinander verknüpft werden. Eine gewaltige Aufgabe, die nach Ansicht von Experten nur durch gemeinsame Bündelung aller Kräfte gelöst werden kann.

Präzise Schnitte mit ultrakurzen Laserblitzen

Ultrakurzpulslaser: Der weltweit leistungsstärkste Ultrakurzpulslaser steht – nach eigenen Angaben – beim Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Er sendet eine Leistung von über 400 W bei Pulsdauern unter einer Pikosekunde.

Ultrakurzpulslaser: Lichtblitze aus diesen Quellen dauern nur den Billionsten Teil einer Sekunde, erlauben präzisen Materialabtrag oder die Bearbeitung temperatursensibler Materialien ohne thermische Schädigung. Das Ergebnis: effizientere Solarzellen, weniger Fehler bei der Produktion von Leuchdioden dank größerer Ausbeute pro Wafer. Und bei einem der weltweit häufigsten chirurgischen Eingriffe, der Therapie des grauen Starts, werden effizientere und kostengünstigere Verfahren möglich.

Um zukünftig das Potenzial dieser Laser für weitere Anwendungen erschließen zu können, müssen jedoch kostengünstigere und leistungsfähigere Strahlquellen sowie neue Komponenten und Systeme für die hochdynamische Strahlführung und -ablenkung entwickelt werden.

Klasse aus der digitalen Datenmasse

Big Data: Standarddatenbanken können massenhaft gespeicherte Daten unterschiedlicher Formate nur unzureichend verarbeiten. Mit begrifflichen Zuordnungen (Ontologien) oder Mustererkennungen sollen diese nun ausgewertet werden und zu neuen Erkenntnissen führen.

Big Data: Unaufhaltsam steigt das Aufkommen an digitalen Informationen. Die im Internet verfügbare Datenmenge verzehnfacht sich alle fünf Jahre (Quelle: VDI-TZ). Allein 90 % aller weltweiten Daten im Netz stammen aus den vergangenen beiden Jahren. Jährlich werden derzeit etwa 1,2 Zettabytes (1,2*1021) an elektronischen Daten generiert. Das sind in etwa 10 000 Mal so viele Daten wie die weltweite Jahresernte an Reiskörnern.

Zusätzlich wird dieser Trend durch das „Internet der Dinge“ verstärkt, bei dem immer mehr Alltagsobjekte, etwa Kühlschränke, Warenpaletten oder Supermarktregale miteinander vernetzt werden und entsprechend digitale Daten produzieren. Für diese Masse an digitalen Daten hat sich in der IT-Wirtschaft inzwischen der Begriff „Big Data“ etabliert. „Big Data“ liegen oft unstrukturiert und in unterschiedlichen Formaten vor. Standarddatenbanken können diese heterogenen Massendaten immer unzureichender verarbeiten.

Digitale Massendaten stellen jedoch nicht nur ein Problem dar, sondern bieten auch neue Chancen, denn Daten sind ein wichtiger „Rohstoff“ der IT-Wirtschaft. Neue Verarbeitungsprozesse eröffnen Möglichkeiten, entscheidende Zusammenhänge zu entdecken und vollständig neues Wissen zu generieren. Schlagworte wie ‚Knowledge Discovery in Databases‘ und ‚Data-Mining‘ bezeichnen die Anwendung von mathematischen Methoden und Visualisierungen, mit denen verborgene Wissensressourcen nutzbar gemacht werden können.

Diese Methoden zielen darauf, aus unstrukturierten Informationen auf Zukunftstrends, Verkaufszahlen oder zu erwartende Interessen potenzieller Kunden zu schließen. In ihrem „Hype Cycle of Emerging Technologies“ identifiziert die Unternehmensberatung Gartner „Big Data“ im Internet daher auch als ökonomischen Zukunftstrend.

Intelligente Stadtbeleuchtung reagiert auf Wetterbedingungen

Stadtbeleuchtung: Die Gemeinde Kieselbronn hat ihre Hochdruck-Quecksilberdampflampen aus- und LED-Leuchten eingeschaltet.

Licht: Weltweit entstehen etwa 20 % des Stromverbrauchs auf Kosten ineffizienter Beleuchtung, heißt es im deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Vor dem Hintergrund steigender Energiekosten geraten damit neue Beleuchtungsmodelle in den Fokus des Interesses.

Für mehr als nur angenehmes Licht sorgen Leuchtdioden (LED), die Halbleitertechnologie ersetzt längst nicht mehr nur Glühlampen oder Kompaktleuchtstofflampen im Haus. Dank elektronischer Steuerung können LED zum Beispiel gezielt in der Stadtbeleuchtung so eingesetzt werden, dass Sensoren erkennen, ob sich eine Straßenbahn, ein Bus oder ein Fußgänger im Erfassungsbereich einer Haltestelle aufhält, und die gewünschte Beleuchtungsstärke veranlassen. Außerdem registrieren die Sensoren Regen, Nässe oder Schnee und veranlassen, dass sich Helligkeit und Lichtfarbe automatisch anpassen.

Stadtverwaltungen können dank einer solchen Steuerung Straßenlaternen nicht nur aus- und anschalten, sondern einzeln oder in Gruppen dimmen, um die Beleuchtungsstärke bereitzustellen, die die jeweilige Tageszeit, Saison oder die Wetterbedingungen erfordern. Die aufgewendete Energie lässt sich dadurch um bis zu 30 % verringern, sagen zum Beispiel Forscher an der TU Darmstadt.

Elektronik und Arzneien stecken künftig im Gewebe

Mehr als nur was zum Anziehen: Intelligenz lässt sich einweben und macht aus Gewebe Technologie.

Textiltechnologie: Was haben Mode, Medizin-, Sicherheitstechnik, Automobilindustrie und Architektur künftig gemeinsam? All diese Branchen setzen auf schlaue Textilien. Sie lassen Wagenhimmel, Kleidung oder Stadiondächer leuchten, messen den Puls, warnen vor Gefahren oder übermitteln Daten per Funk.

Geht es nach dem Forschungskuratorium Textil, eine Einrichtung für Forschungsförderung und Technologietransfer der Textilindustrie, sollen schlaue Fasern auch heilen. So haben Forscher einen Verband entwickelt, der Wirkstoffe zur Wundheilung freisetzt. Seine Zellulosehohlfasern wurden mit Arznei vorbehandelt und dann gefriergetrocknet zu Vlies verarbeitet. Bei Wundkontakt aktiviert ein Enzym das Medikament. Die Faseranzahl bestimmt die Dosis.

Und das ist nicht die einzige technische Anwendung von Textilien. Bei Kranken oder Pflegebedürftigen lassen sich auch physiologische Parameter erfassen. Diagnostische Aufgaben übernehmen dann eingewebte leitfähige Materialien wie Silber und winzige Sensoren. Diese könnten die Herzaktivität messen oder die Hautfeuchtigkeit überwachen.

Nötig dafür ist der Einbau von Mikroelektronik in den Fasern. Ins Gewebe wandern ultraflache Chips bzw. Schaltungen, Sensoren und Funkeinheiten. So entwickeln Forscher intelligente Schutzanzüge, die etwa Feuerwehrleuten die Navigation in Gebäuden erleichtern und über eingewebte Leuchtdioden farbig leuchten, sollte aufgrund der Umgebungshitze die Körpertemperatur steigen. Über ein integriertes Funknetzwerk können die Retter miteinander und mit ihrer Leitstelle kommunizieren. Die Funktionen benötigen Energie. Deshalb arbeiten die Wissenschaftler daran, organische Photovoltaik zu integrieren. Dann produzieren und speichern schlaue Textilien ihre Energie selbst.

www.textilforschung.de

Organische Elektronik kommt bald als Lichtquelle ins Haus

Organische Elektronik soll künftig u.a. bei RFID-Etiketten Anwendung finden.

Organische Elektronik: Silizium, Kupfer, Metalloxide – das sind die Werkstoffe aus denen die Chipindustrie weltweit ihre Mikroprozessoren, Speicher oder Asics fertigt. Mit mittlerweile immens hohem Aufwand, da die Dimensionen auf den Chips so klein geworden sind, dass sich viele Hürden der Physik unangenehm bemerkbar machen.

Doch es gibt seit Langem Kunststoffe, die gleichfalls leitende (wie Kupfer), halbleitende (Silizium) oder isolierende Eigenschaften haben. Die Idee, daraus elektronische Bauelemente zu machen, ist nicht neu. Doch erst seit einigen Jahren hat die Leistungsfähigkeit dieser Materialien ein Niveau erreicht, das tatsächlich den großindustriellen Einsatz erlaubt.

Am bekanntesten sind die organischen Leuchtdioden (Oleds), die z.  B. als Display in Smartphones eingesetzt werden und laut Displaysearch weltweit in 2011 bereits für 4 Mrd. $ Umsatz sorgten. Oleds lassen sich dank der Flexibilität der Ausgangsmaterialien in fast allen Farben herstellen und eignen sich auch für innovative Beleuchtungskonzepte im Wohnungs- und Industriebau. Seit 2006 fördert das BMBF in der Innovationsallianz Oled 2015 mit insgesamt 100 Mio. € an Forschungshilfe die Entwicklung der Technologie. Ein Meilenstein war die Eröffnung einer Pilotfertigung bei Osram in Regensburg Ende 2011.

Aber auch die Photovoltaik profitiert von den neuen Materialien. Dünnschichtsolarzellen auf Basis verschiedener Farbstoffe haben derzeit noch geringe Wirkungsgrade, bieten aber aufgrund ihrer Flexibilität als dünne Folie die Möglichkeit, auf den Oberflächen von Smartphones oder Notebooks angebracht zu werden. Auch hier fördert das BMBF in der „Innovationsallianz OPV 2015“ mit 60 Mio. € seit 2008.

Weitere Anwendungsfelder organischer Elektronik sind dank der recht günstigen Herstellungsverfahren (z.  B. Siebdruck) künftig auch Funk¬ettiketten für Warenwirtschaft und Handel (RFID). Aber auch großflächige Oled-TV-Displays sollen in den nächsten Jahren in den Bereich des Machbaren rücken.

Die neue Agrarrevolution: Roboter übernehmen das Feld

Dieser Obstbauroboter soll die Arbeiten, die im Weinberg oder in der Obstplantage anfallen, künftig selbstständig ausführen.

Landwirtschaft: Ausgemachte Fans von Science-Fiction-Filmen fühlen sich vielleicht an die fliegenden Gewächshäuser aus „Lautlos im Weltraum“ der 1970er-Jahre erinnert oder an den 2008 von den Pixar-Studios animierten Roboterhelden „Wall.e“, der in einem versteckten Winkel ein kleines Pflänzchen findet – das letzte bisschen organische Leben auf der Erde.

Schon bald aber könnten sie zum ganz alltäglichen Bild auf landwirtschaftlichen Nutzflächen gehören – Agrarroboter, die ohne Unterlass Setzlinge pflanzen, Dünger versprühen, Unkraut zupfen und sogar den optimalen Erntezeitpunkt für die Feldfrüchte erschnüffeln.

Die stetig wachsende Erdbevölkerung braucht immer mehr Nahrung. Überall auf der Welt entwickeln Ingenieure deshalb Sensorik, Navigationsgeräte sowie Mikro- und Optoelektronik für Automatisierungstechniken weiter, die den Ackerbau revolutionieren sollen. Solche autonomen Feldroboter sind geländegängig, robust und präzise. Sie erfassen Daten, nehmen Bodenproben und dosieren entsprechend die benötigten Pflanzenbehandlungsmittel.

Experten gehen davon aus, dass Computer-Aided-Farming die Zukunft der modernen Landwirtschaft sein wird. So fördert etwa das Bundeslandwirtschaftsministerium die Entwicklung eines intelligenten Plantagenpflegeroboters für den Wein- und Obstbau.

EUV: Chipbelichtung der Zukunft wird reif für die Serienfertigung

Präzision für extrem ultraviolette Strahlung: Einstellarbeiten an einem Objektiv für die Chipbelichtung mit Licht von 13,5 nm Wellenlänge. Carl Zeiss fertigt diese Optik für ASML, den Weltmarktführer für Chip-Lithografie.

Chip-Lithografie: Der Weg zu Chipgeometrien von nur noch 22 nm (Nanometer) und darunter wird immer klarer erkennbar. Ein Kernelement dorthin: Die Lithografie mit extremem UV-Licht (EUV) von nur noch 13,5 nm Wellenlänge. Das von Carl Zeiss geführte Verbundprojekt „Lithografie für den 22-Nanometer-Knoten“ ist Ende Oktober erfolgreich abgeschlossen worden. In diesem nationalen Projekt wurde nach Angaben der Projektpartner die EUV-Lithografie von der Grundlagenforschung zu einer voll einsetzbaren Technologie für die Serienproduktion von Chips weiterentwickelt. Das Projekt wurde vom BMBF mit insgesamt rund 16 Mio. € gefördert und war in ein europäisches Projekt unter Führung des niederländischen Unternehmens ASML eingebettet.

Die Partner haben das für den Lithografieprozess benötigte Projektionssystem sowie die erforderliche Infrastruktur erarbeitet. So stellte Carl Zeiss SMT (Oberkochen) unter anderem ein leistungsfähiges Projektionsobjektiv, ein Beleuchtungssystem sowie erforderliche Messsysteme bereit. IMS Chips (Stuttgart) lieferte hierfür neuartige optische Elemente zur Präzisionsmessung der EUV-Spiegel. Die Carl Zeiss SMS (Jena, Roßdorf) erarbeitete Maskenreparaturprozesse für EUV-Fotomasken und wurde dabei vom Fraunhofer-Institut IISB ( Erlangen) unterstützt. Weiter beteiligt: Bruker ASC (Köln), Süss MicroTec Photomask Equipment (Sternenfels), Dynamic Microsystems (Radolfzell) sowie das Advanced Mask Technology Center (Dresden). Nun sehen sich die beteiligten Unternehmen in Sachen EUV als Technologieführer gut am Markt positioniert.

Androide werden den Menschen immer ähnlicher

Der künstliche Zwilling ist von seinem Schöpfer, dem Roboterspezialisten Hiroshi Ishiguro kaum zu unterscheiden.

Künstliche Menschen: Dass Menschen Menschen schaffen hat noch immer etwas Frevelhaftes, zumindest Irritierendes. Doch die Idee vom Androiden, vom künstlichen Menschen, begleitet die Menschen, seitdem sie sich Gedanken über sich selbst machen. Nun verlassen täuschend echte Androide langsam die Labors der Wissenschaftler, nachdem die Haushaltsroboter mit ihren Stabilbaukastengesichtern schon fast wieder Geschichte sind.

Der Androide auf dem Bild untenlinks ist nur einer von gut einem Dutzend vergleichbarer Projekte – wenngleich sicher eines der verblüffendsten. Der abgebildete Androide ist jedoch eine besondere Spezies, ein Geminod, ein künstlicher Zwilling. Sein Schöpfer ist der japanische Professor Hiroshi Ishiguro, ein Roboter-Spezialist von der Universität Osaka. Sein künstliches Ebenbild hat nach Ishiguros Angaben 50 Freiheitsgrade, die es ihm erlauben sollen, sich zu bewegen wie ein Mensch. Ishiguro hat auch einen Frauen-Zwilling hergestellt, wenngleich mit nur 12 Freiheitsgraden. Er wollte eine leichtere Version herstellen, wie auf seiner Homepage zu lesen ist, die zudem preiswerter sei als der Mann. Warum gerade die Frau das preiswerte Leichtgewicht ist, bleibt sein Geheimnis.

Ishiguro hat mittlerweile auch einen Geminoid für einen dänischen Professor gebaut, ein koreanisches Forschungsinstitut hat den Kopf Einsteins verblüffend echt nachgebaut, mit Gesichtsmuskeln und allem was dazu gehört. Noch sind diese Androide weit weg von einer sinnhaften Konversation mit ihren Vorbilder, aber das scheint nur eine Frage der Zeit zu sein.

Von rb, et, Bettina Reckter, Carolin Becker, Leif Brand, Jens D. Billerbeck, Wolfgang Mock

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