Technologien, die in den nächsten Jahren von sich reden machen

Technische Fortschritte können unser Leben, Arbeiten und Kommunizieren revolutionieren . Die „Technologies to Watch“ beleuchten in diesem Jahr die transformative Kraft der künstlichen Intelligenz (KI): Sie automatisiert komplexe Aufgaben, liefert wertvolle Erkenntnisse und ergänzt kreatives Potenzial. Ob in Medizin, Infrastruktur oder Transport – die hier vorgestellten Innovationen optimieren Prozesse und eröffnen neue Ansätze für die Zusammenarbeit zwischen Mensch und KI.

Ein beeindruckendes Beispiel ist Causal ML, ein Verfahren, das die Prinzipien der Kausalitätsforschung mit den Methoden des maschinellen Lernens kombiniert. Diese Technologie kann Ursache-Wirkung-Beziehungen identifizieren und bietet in der Medizin, Wirtschaft und über viele weitere Bereiche hinweg bahnbrechende Möglichkeiten – etwa zur präziseren Diagnose oder fundierteren Entscheidungsfindung. Gleichzeitig treiben Fortschritte in der Hardwareentwicklung, wie die geplante Integration von 1 Billion Transistoren pro Chip bis 2030, die Leistungsfähigkeit von KI und maschinellem Lernen auf ein neues Niveau.

Neben KI bietet die Materialforschung mit dem kürzlich entdeckten Altermagnetismus als dritter Form des Magnetismus eine Grundlage für energieeffiziente elektronische Speicher. Im Schienenverkehr ermöglicht die digitale automatische Kupplung eine nachhaltigere und effizientere Logistik, während in der Medizin die CAR-T-Zell-Therapie mit genetisch modifizierten Immunzellen vielversprechende Ansätze für die Behandlung von Krebs- und Autoimmunerkrankungen aufzeigt.

Die nachfolgend präsentierten „Technologies to Watch“ zeigen das Potenzial, unsere Zukunft maßgeblich zu beeinflussen und unsere Lebensqualität nachhaltig zu verbessern. Lassen Sie uns gemeinsam auf diese spannenden Entwicklungen blicken! Axel Zweck

Erneuerbare Energien: Coole Option Geothermie

Wärmewende im Untergrund statt Heizungstausch für Millionen: Geothermie kann das, hat auch die Politik erkannt. Der Deutsche Bundestag hatte am 9. Oktober 2024 das Geothermiebeschleunigungsgesetz (GeoWG) in erster Lesung beraten. Erstmals erhielte die Geothermie ein eigenes Stammgesetz. Ob es noch vor der Bundestagswahl verabschiedet wird? Die Potenziale der heimischen Ressource sind riesig, auch eine neue Bundesregierung dürfte das wissen. Ingo Sass, Leiter der Sektion Geoenergie am Deutschen Geoforschungszentrum in Potsdam, stellte erst im Oktober eine Studie vor, nach der die oberflächennahe Geothermie schon heute über 600 TWh Wärme bereitstellen könne – bei einem Wärmebedarf Deutschlands von 1400 TWh. Hinzu komme laut Roadmap „Tiefe Geothermie“ ein darüber direkt abrufbarer Wärmebeitrag von 300 TWh, die Potenziale für die tiefe Geothermie liegen bei einem Vielfachen. Technisch ist manches möglich, wie jüngst die Fraunhofer-Einrichtung für Energieinfrastrukturen und Geothermie (IEG) aufzeigte. Mit dem Batteriespezialisten Voltavision untersucht sie die nachhaltigen Kühlung in der Industrie auf Basis von Geothermie. Sie soll den Energieverbrauch zur Kühlung um 70 % bis 90 % senken. swe

Kerntechnik: SMR: Modulare Reak­toren werden kommen

„Die US-Nuklearaufsichtsbehörde hat die Instrumentierungs- und Kontrollplattform für den eVinci-Mikroreaktor der Westinghouse Electric Company genehmigt“; es sind Meldungen der US Nuclear Regulatory Commission (NRC), die zeigen, dass die US-Nuklearstrategie sehr konsequent umgesetzt wird. Der SMR (Small Modular Reactor) eVinci von Westinghouse ist nur einer unter vielen, die bei der NRC in den Startlöchern stehen. Das Design von NuScale hat die NRC bereits genehmigt.

Großbritannien ist noch nicht so weit; die Regierung hat einen Wettbewerb um Fördermittel aufgelegt. Vier Designs sind im Rennen im Rahmen eines Generic Design Assessment (GDA) durch die britische Aufsichts- und Genehmigungsbehörde ONR (Office for Nuclear Regulation). Nur, um zwei Nationen zu nennen. Eine Reihe von EU-Mitgliedsstaaten ist ebenfalls sehr interessiert. Und in Deutschland scheint dies zum Wahlkampfthema werden zu können. Egal wie das ausgeht: Die SMR-Technologie hat inzwischen einen Zustand erreicht, in dem es sicher scheint, dass wir international diese Anlagen in den nächsten fünf Jahren erstmals in der Praxis sehen könnten. swe

KI im Engineering: KI modelliert die Physik und transformiert das Engineering massiv

Im November stellte das KI-Start-up NXAI, ein Spin-off der österreichischen Universität Linz, ein KI-System vor, mit dem sich physikalische Gesetzmäßigkeiten in einem allgemeinen Ansatz mithilfe neuronaler Netze abbilden lassen. Universal Physics Transformers (UPTs) nennt das Entwicklungsteam um UPT-Chefentwickler Johannes Brand­stetter den Ansatz. Jetzt sind UPTs nicht der einzige Ansatz, physikalische Berechnungen mithilfe von KI beschleunigt umzusetzen. So integrieren Physics-Informed Neural Networks (PINN) physikalische Gesetze direkt in das Netzwerk. Andere Ansätze wie Alphafold von Deepmind fokussieren auf Proteinstrukturvorhersage.

Gelingt es, mittels KI die Berechnung physikalischer Prozesse gegenüber herkömmlichen Berechnungen beim Engineering zu beschleunigen, dann könnte sich bei diesem aufwendigen und langwierigen Bereich in der Produktentwicklung Entscheidendes bewegen. Vorteil der UPTs: Es ist ein allgemeiner Ansatz. Das NXAI-Team erprobt sich jetzt in der Praxis, erste Ergebnisse liegen vor. Wenn die KI-basierte Physik fliegt, dann dürfte sich in den nächsten Jahren Engineering entscheidend beschleunigen. swe

Metallurgie: Neuer Weg zur Legierung

Die Herstellung von Legierungen umfasst typischerweise drei Schritte: die Gewinnung von Metallen aus Erzen, das Mischen flüssiger Metalle zu Legierungen und die thermomechanische Verarbeitung, um gewünschte metallische Mikrostrukturen zu erzeugen. Alle drei Schritte erfordern hohe Temperaturen und verursachen hohe CO₂-Emissionen. Forschende des Max-Planck-Instituts für Nachhaltige Materialien in Düsseldorf haben ein neues Verfahren entwickelt, bei dem Metallerze unter Einsatz von Wasserstoff reduziert und direkt in anwendungsreife Legierungen umgesetzt werden. Der prinzipiell breit anwendbare Ansatz wurde am Beispiel von Eisen-Nickel-Legierungen, bekannt als Invar, demonstriert. Sie weisen eine geringe thermische Ausdehnung auf, sind aber auch besonders umweltbelastend in der Herstellung. Das neue Verfahren kann helfen, die Produktion dieser und anderer Legierungen deutlich nachhaltiger und CO₂-ärmer zu gestalten. Dirk Holtmannspötter

Stahlindustrie: Wechsel im Stahlwerk

Einige der großen deutschen Stahlproduzenten – Salzgitter, Dillinger und Saarstahl – krempeln in den kommenden Jahren ihre Werke um. Sie ersetzen ihre Hochöfen durch Direktreduktionsanlagen. Das macht einen Kniff möglich, der den fertigen Stahl auf Anhieb ein bisschen „grüner“ macht: den Einsatz größerer Schrottmengen im Stahlwerk. Ein Jahrhundert lang hat der Hochofen alle nachfolgenden Prozesse diktiert; es musste flüssiges Eisen verarbeitet werden – das ging nur im Konverter. Die Direktreduktionsanlage hingegen liefert festes Eisen: Erstmals können die großen Hüttenwerke ihre Konverter durch Elektrolichtbogenöfen austauschen. Diese Aggregate sind in kleineren Stahlwerken schon Jahrzehnte im Einsatz, die darin 100 % Stahlschrott aufschmelzen. Viel Schrott können in Zukunft auch Salzgitter & Co. einsetzen. Wenn es denn genug Schrott gibt. Die Stahlproduzenten investieren deshalb aktuell massiv in ihre Schrottaufbereitungskapazitäten. har

Luftfahrt: Synthetisches Kerosin

Bislang wird der Flugkraftstoff Kerosin aus Erdöl gewonnen. Die Emissionen aus der Kerosinverbrennung machen einen großen Teil der Klimawirkung des Luftverkehrs­sektors aus. Unter dem Schlagwort „Power-to-Liquid“ soll deshalb synthetisches Kerosin auf Basis von nicht fossilem Kohlenstoff produziert werden.

Es gibt in Europa annähernd 40 Anlagen, die synthetisches Kerosin produzieren. Die Anlagen sind vom altbekannten Typ Fischer-Tropsch: Aus Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff werden kettenförmige Kohlenwasserstoffe synthetisiert – Kohlenstoffglied um Kohlenstoffglied. Allerdings befinden sich alle Anlagen noch im Demonstratormaßstab. In Deutschland sind sogar nur zwei geplant. Ob sich also synthetisches Kerosin schnell in industriellen Mengen produzieren lässt, ist zumindest fraglich. Alle projektierten Anlagen Europas zusammengenommen könnten 1,8 Mio. t pro Jahr liefern. Das reicht gerade einmal, um die nicht eben ehrgeizige EU-Quote für das Jahr 2030 von 1,2 % synthetischem Kerosin zu erfüllen. har

Automatisierung: Kognition für Roboter

Bisher führen Roboter hauptsächlich Tätigkeiten aus, für die sie programmiert wurden. Das ändert sich aber zunehmend. Insbesondere für die Entwicklung humanoider Roboter ist es nämlich wichtig, dass diese ihr Umfeld wahrnehmen und darauf reagieren können. Das gilt aber auch für klassische Roboterarme. Perzeption und Kognition lauten dazu die Schlagworte aus der Psychologie, die nun in der Robotik Einzug halten. Bei der Perzeption werden Eindrücke aus der Umgebung aufgenommen und die Kognition stellt dazu Zusammenhänge mit bisherigen Erinnerungen und Erfahrungen her. Das Abbild des menschlichen Verhaltens wird dabei durch Sensorik für Sehen, Hören und Fühlen sowie eine Datenverarbeitung mithilfe künstlicher Intelligenz ständig verbessert. Einer der Vorreiter in der Disziplin ist TUM-Professor Sami Haddadin. Mit dem Roboterhersteller Franka Emika, der inzwischen zu Agile Robots gehört, hat er das Konzept erstmals für Roboterarme in die Praxis übertragen. Inzwischen arbeiten weltweit viele Forschungseinrichtungen und Roboterhersteller daran. Dabei geht es längst nicht mehr nur um Arme, sondern auch um feinfühlige Greifer, menschenähnliches Gehen und die Navigation mobiler Roboter in unbekannten Umgebungen. ciu

Halbleiterindustrie: Eine Billion Transistoren auf einem Chip

Die stetige Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie stößt an physikalische Grenzen. Innovative Ansätze sind erforderlich, um die Leistungsfähigkeit von Chips zu steigern und die Erfüllung des Mooreschen Gesetzes, das die Verdopplung der Transistoranzahl alle zwei Jahre voraussagt, über 2030 hinaus weiter voranzutreiben.

Ein vielversprechender Ansatz ist die Integration von Glassubstraten in die Chipfertigung. Im Gegensatz zu ihren organischen Pendants bieten Glassubstrate eine extreme Ebenheit sowie bessere thermische und mechanische Stabilität, wodurch eine viel höhere Verbindungsdichte erreicht wird. Diese Vorteile führen zu leistungsfähigeren und effizienteren Chip-Paketen. Zudem können durch die Verwendung von Glas größere Chip-Komplexe realisiert werden, die für Anwendungen in Rechenzentren, künstlicher Intelligenz und Grafikprozessoren von Bedeutung sind. Ein Beispiel: Flexinity connect ist ein ultrafeines, strukturiertes Glas des Technologiekonzerns Schott AG in Mainz, das die Halbleiterindustrie grundlegend verändern kann. Bis 2030 sollen durch die Technologie bis zu einer Billion Transistoren auf einem Chip Platz finden, was damit einen bedeutenden Schritt in der Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie markiert. Sebastian Freund

Elektronik: Magnetisch speichern

Wenn von Magnetismus die Rede ist, geht es meist um sogenannte Ferromagneten, die ein permanentes äußeres Magnetfeld aufweisen können. Im Alltag begegnen sie uns als Kühlschrankmagnete oder in Elektromotoren. Diese Art von Magneten entsteht, wenn die magnetischen Momente der Atome des Magneten in einer dauerhaften Ordnung gleich ausgerichtet sind. Seit knapp 100 Jahren ist mit dem Antiferromagnetismus eine zweite magnetische Ordnung bekannt, bei der die atomaren magnetischen Momente einander entgegengesetzt orientiert sind. Antiferro­magnete weisen daher auch kein äußeres Magnetfeld auf. In diesem Jahr wurde mit dem Altermagnetismus erstmals eine dritte magnetische Ordnung experimentell bestätigt. An dem Nachweis waren auch Forschende der Uni Mainz beteiligt, die sie theoretisch vorhergesagt hatten. Beim Altermagnetismus sind die magnetischen Momente der Atome entgegengesetzt ausgerichtet, während zusätzlich die Ausrichtung der Atome im Kristall alterniert (s. Bild). Von dieser neu entdeckten Gruppe von Materialien verspricht man sich Fortschritte bei Datenspeichern auf Basis der Spintronik, die das magnetische Moment von Elektronen zur Speicherung und Verarbeitung von Daten nutzt. Dirk Holtmannspötter

Softwareentwicklung: KI Agenten und TuringBots

KI revolutioniert viele Branchen. Die Einführung von KI Agenten stellt den nächsten Schritt der KI-Evolution dar. Dies sind autonome Softwareprogramme, die Aufgaben selbstständig ausführen, Entscheidungen treffen und mit ihrer Umgebung interagieren. Sie können komplexe, mehrstufige Arbeitsabläufe, basierend auf einfachen Anweisungen, autonom ausführen. Arbeiten mehrere Agenten zusammen, lassen sich sogar komplexe Arbeitsabläufe automatisieren, indem jeder Agent kleinschrittige Teilaufgaben übernimmt. Ein Beispiel sind TuringBots: Diese KI-gestützten Tools unterstützen Fachteams in allen Phasen des Softwareentwicklungszyklus, von der Planung über das Design bis hin zu Codierung, Testen und Bereitstellung. Sie automatisieren wiederkehrende Aufgaben, verbessern die Codequalität und verkürzen die Entwicklungszeit, was zu einer effizienteren und kreativeren Softwareentwicklung führt. Die Integration von KI Agenten markiert einen bedeutenden Fortschritt in der KI-Nutzung. Sebastian Freund

Bau: Gedruckter Stahlbeton

Betonstrukturen werden schon seit ein paar Jahren additiv aufgebaut, jedenfalls vereinzelt. Das Manko dabei: Alle Armierungseisen, die für Zugfestigkeit sorgen, müssen während des Schichtprozesses manuell eingebracht werden. Forschende aus Braunschweig und München wollen das perspektivisch ändern. Im ersten Ansatz konzentrieren sie sich auf eine Kombination aus selektiver Zementleim-Intrusion (SPI) und Lichtbogen-Auftragschweißen (WAAM). Das Vorgehen: Zunächst wird Drahtmaterial zu Metallstangen verschmolzen. Anschließend wird eine feine Sandkörnung aufgeschüttet und mithilfe eines zielgenau verdüsten Bindemittels partiell verfestigt. Diese Schritte wiederholen sich wechselseitig – bis das Bauteil fertig ist und aus dem Sandkuchen entnommen werden kann. So weit die Theorie. Den Stand der Praxis erläutert Felix Riegger von der TU München in Folge 96 des Podcasts „Druckwelle“: www.druckwelle.podigee.io. sta

Elektronik: Verlustfreie Signalübertragung von der Biologie inspiriert

Elektrische Signale werden bei der Ausbreitung in metallischen Leiterbahnen gedämpft. Über längere Strecken müssen sie ständig verstärkt werden – bei modernen hochkomplexen Chips zunehmend ein Problem. US-Forschende orientieren sich nun an sogenannten Axonen, die in Nervenzellen elektrische Signale übertragen. 2012 wurde gezeigt, dass die Funktionsweise von Axonen mit dem Auftreten negativer Widerstandswerte in der Signalübertragung mathematisch betrachtet an der Schwelle zwischen Ordnung und Chaos, dem sogenannten Chaosrand, liegt. Ein solcher Chaosrand ist experimentell schwer fassbar. Dennoch gelang es, einen solchen Chaosrand zu erzeugen. Dazu legte das Team eine Gleichstromvorspannung an eine Schicht aus Lanthan-Cobaltit an – ein Material, dessen elektrischer Widerstand unter bestimmten Umständen bei steigender Temperatur sinkt. Auf einer Leiterbahn, die auf dieser Schicht angebracht war, konnte ein Wechselstromsignal kontinuierlich entlang der Übertragungsstrecke verstärkt werden. Dirk Holtmannspötter

Zirkuläres Bauen: Bauen mit Mehrwegmodulen

Der Bausektor ist für einen signifikanten Anteil des globalen Verbrauchs an Energie- und Materialressourcen verantwortlich. Schätzungen zufolge entfallen 60 % des gesamten Abfallaufkommens auf diesen Sektor. Eine nachhaltige Lösung sind modulare Mehrweghäuser, wie sie das NRW-Unternehmen Conwerk entwickelt und produziert. Diese Bauweise weist gegenüber konventionellen Methoden eine Reihe von Vorteilen auf: Die Häuser sind so konzipiert, dass sie nach Ablauf ihrer Nutzungsdauer vollständig demontiert und einer erneuten Verwendung zugeführt werden können. Dabei sind die Materialien, die bei der Konstruktion zum Einsatz kommen, recycelbar und biologisch abbaubar. Durch die modulare Bauweise sowie die Kreislaufführung verringert sich der Bedarf an neuen Rohstoffen. Zudem zeichnen sich die Häuser durch eine optimale Dämmung sowie eine Versorgung mit erneuerbaren Energien aus, was den Energieverbrauch auf ein Minimum reduziert. Ein digitaler Zwilling sammelt alle Informationen übers Haus und erlaubt eine effiziente Planung und Verwaltung. Lukas Verhofstad

Medizin: Neue Immuntherapie

Die CAR-T-Zelltherapie, eine innovative Form der Immuntherapie, eröffnet Betroffenen mit schweren Erkrankungen neue Perspektiven. Ursprünglich zur Bekämpfung bestimmter Krebsarten entwickelt, zeigt sie inzwischen auch bei Autoimmunerkrankungen vielversprechende Erfolge. Die Therapie basiert auf gentechnisch veränderten T-Zellen, einer Art weißer Blutkörperchen. Diese Zellen werden so verändert, dass sie chimäre Antigenrezeptoren (CAR) tragen, die bestimmte Krebs- oder Autoimmunzellen gezielt erkennen und zerstören können. Seit ihrer Zulassung in der EU im Jahr 2018 wird die CAR-T-Zelltherapie erfolgreich bei Blutkrebsarten wie der akuten lymphatischen Leukämie oder dem großzelligen B-Zell-Lymphom eingesetzt. Auch bei einem Kind mit Lupus konnten beachtliche Behandlungserfolge erzielt werden, nachdem alle herkömmlichen Therapien gescheitert waren. Hohe Behandlungskosten und die aufwendige individualisierte Herstellung der Immunzellen stellen jedoch große Herausforderungen dar und erschweren eine effiziente Skalierung. Mit der Erforschung neuer Ansätze steht die CAR-T-Zelltherapie für eine neue Ära der personalisierten Medizin. Sie könnte die Behandlung schwerer Krankheiten grundlegend verändern und Millionen Betroffenen Hoffnung geben. Thomas Werner

Transport/Logistik: Bahnwaggons automatisch verbunden

Im europäischen Schienengüterverkehr werden Wagen händisch gekuppelt – ein zeitaufwendiges und gefährliches Verfahren für die Rangierkräfte. In den letzten fünf Jahren wurde daher die digitale automatische Kupplung (DAK) entwickelt und erprobt. Sie basiert anstelle einer Schraubenkupplung auf einer an den schweren Güterverkehr angepassten Scharfenbergkupplung. Diese enthält neben der Brems-Druckluftleitung erstmals eine Strom- und Datenleitung. Dadurch wird die bislang manuelle Bremsprobe nach dem Zusammenstellen eines Güterzugs automatisiert, was jede Zugabfertigung um bis zu einer Stunde verkürzen kann. Auch das automatische Entkuppeln ist für die Lokrangierführer bequem von der Lok aus möglich. Ein grundsätzliches Bekenntnis zur DAK haben die europäischen Verkehrsminister bereits 2020 in der Berliner Erklärung abgegeben. 2024 unterzeichneten die Verkehrsminister von Deutschland, Österreich und der Schweiz ein entsprechendes Positionspapier. Die Umsetzung soll das Konsortium „DACFIT“ begleiten, das dabei auch die zeitliche und räumliche Migration für 500.000 Güterwagen in ganz Europa bewerten wird. Ab 2028 könnte die DAK europaweit eingebaut werden, um Teilen des Lkw-Verkehrs Paroli zu bieten. Oliver S. Kaiser

Künstliche Intelligenz: Ideen aus der Maschine

Kreativität gilt als rein menschliche Domäne. Eine Studie zeigt jedoch, dass KI in der Lage ist, originelle Konzepte zu entwickeln, die mit menschlicher Kreativität konkurrieren – weit über KI-generierte Bilder hinaus. Forschende der Stanford University fanden heraus, dass KI-gestützte Systeme in der Lage sind, neue Forschungsideen zu sieben vorgegebenen Themen aus der Computerlinguistik zu entwickeln. Diese wurden von Sachverständigen als spannender bewertet als jene von 49 Wissenschaftlerinnen, die dafür zehn Tage Zeit hatten. Dennoch wiesen die KI-Ideen Schwächen in der Machbarkeit auf, sodass die Qualität und Umsetzbarkeit dieser Vorschläge kritisch hinterfragt werden müssen. Im Gutachten wurden von den mehr als 4000 Forschungsideen immerhin 200 KI-generierte Ideen als tatsächlich einzigartig bewertet. Chenglei Si, Mitautor der Studie, verwies auf die wachsende Bedeutung von Forschungsagenten, die autonom Ideen generieren und validieren. Oliver S. Kaiser

Medizin: Gen-Editing durch Brücken-RNA

Seit Jahren suchen Forschende nach Methoden, um Gene in lebenden Organismen gezielt zu verändern. Für die Entwicklung des gentechnischen Verfahrens CRISPR gab es 2020 einen Nobelpreis. Nun hat ein internationales Forschungsteam eine neue Methode entwickelt, die zuverlässiger und leistungsfähiger als CRISPR ist. Diese sogenannte Brücken-RNA-Methode nutzt natürliche Zellmechanismen von springenden Genen, die ihre Position im Erbgut verändern können. RNA-Moleküle sind kürzere Abschriften der DNA und übernehmen in der Zelle verschiedene Funktionen. Die neue Methode verwendet RNA-Moleküle mit zwei Schleifen, die eine Brücke zwischen einem Zielort auf der DNA und der neu einzufügenden DNA herstellen. So können die DNA-Makromoleküle in einem Schritt geschnitten und neue Gene eingebaut werden. Versuche an Bakterien zeigen die hohe Spezifität und Effizienz des Verfahrens und wecken Zuversicht, dass dies auch beim Menschen funktioniert, um Krebs oder ALS zu heilen. Matthias Braun

Informationstechnologie: Die wahren Zusammenhänge

Herkömmliche Machine-Learning-Verfahren erkennen zwar Muster und Korrelationen in Daten, können aber nicht zwischen Ursache und Wirkung unterscheiden. Ein Beispiel: Die Dichte an Ingenieurinnen und Ingenieuren in einer Region korreliert mit deren Lebensqualität, gemessen an Einkommen, Gesundheitsversorgung und Infrastruktur. Dies liegt aber nicht kausal an der Anwesenheit dieser Berufsgruppe, sondern an verborgenen Variablen wie der Wirtschaftsstruktur und der Industrialisierung solcher Regionen. Das Forschungsgebiet Causal ML soll diesen blinden Fleck beheben, indem es die Mustererkennung des maschinellen Lernens mit der Analyse von Ursache und Wirkung verbindet. Ein wichtiger Aspekt ist dabei die Diversität der Daten: Modelle müssen mit Datensätzen trainiert werden, die unter unterschiedlichen Bedingungen entstanden sind. So lassen sich Scheinkorrelationen vermeiden und stabile Muster identifizieren, die auf kausale Zusammenhänge hinweisen. Causal ML findet Anwendung in der Medizin, etwa zur Bewertung der Wirksamkeit von Medikamenten, und in der Ökonometrie, um Gutscheineffekte auf das Kaufverhalten zu analysieren. Forscher wie Julius von Kügelgen (ETH Zürich), Ludwig Bothmann (LMU München) und Martin Huber (Uni Freiburg) entwickeln Methoden und Algorithmen für Causal ML und untersuchen dessen Potenzial für verschiedene Anwendungen. Oliver S. Kaiser

Nachhaltige Mobilität: Urbaner Parkraum

Der verfügbare Raum wird in Städten knapp. Gleichzeitig wächst der Bedarf an Parkplätzen und einer funktionierenden Ladeinfrastruktur für Elektroautos. Eine neue Lösung bietet hier die Dynamic-Parking-Technologie, die das Unternehmen SimParQ entwickelt hat. Sie erlaubt eine flexible Nutzung von Parkplätzen, da jeder Stellplatz individuell zugewiesen und per App verwaltet werden kann. Dies resultiert in einer höheren Auslastung von Parkhäusern sowie einer erleichterten Parkplatzsuche. Eine intelligente Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge, die 3,7-kW-Ladestationen in Parkhäusern nutzt, ergänzt das Dynamic Parking. Die Kombination beider Technologien ermöglicht es, den passenden Stellplatz auszuwählen und gleichzeitig das Fahrzeug während des Parkens – auch über Nacht – effizient zu laden. Dies eignet sich besonders für Nutzerinnen und Nutzer ohne eigene Wallbox. Mittels Kameratechnologie wird zudem die Nutzung jedes Stellplatzes analysiert, was eine dynamische Anpassung der Parktarife, basierend auf der tatsächlichen Nutzung, erlaubt. Ein Parkhaus kann so in Sekundenschnelle zwischen Verwendungszwecken wie Parken, Carsharing oder Logistik wechseln – damit der urbane Parkraum optimal genutzt wird. Lukas Verhofstad

Wasserwirtschaft: Planvoll gegen Trockenstress

Dürren nehmen weltweit zu und Niederschläge werden unregelmäßiger. Das setzt auch Städten zu. Besonders Bäume und Grünflächen leiden unter Trockenstress – mit negativen Folgen für Klima und Stadtbild. Gleichzeitig sind der Zugang zu Wasser und die Anzahl an Bewässerungsteams häufig begrenzt. Städte müssen deshalb neue Wege finden, Wasserressourcen effizient zu nutzen. Die Smart-Green-City-Technologie setzt auf eine intelligente und präzise Steuerung der Bewässerung von städtischem Grün: Ein dichtes Netzwerk aus Bodenfeuchtesensoren sammelt detaillierte Informationen, die mit Niederschlagsdaten des Deutschen Wetterdienstes kombiniert werden. Dies ermöglicht Bewässerungsempfehlungen, die den Wasserverbrauch minimieren und sicherstellen, dass bei Starkregenereignissen genügend Bodenspeicher verfügbar ist. Aktuell unterstützt die Okeanos Smart Data Solutions GmbH die Stadt Bochum bei der Implementierung der Technologie. Auch Machine Learning kommt zum Einsatz: Mit der Analyse von Niederschlagszellen und präzisen Prognosen können Bürgerinnen und Bürger frühzeitig vor Extremwetterereignissen gewarnt werden. Diese Maßnahmen tragen zur Klimaresilienz von Städten bei. Dajana Davidovic

Lebende Materialien: Wirkstoffproduzierende Bakterien in 3D-gedrucktem Hydrogel

Die Biologie mit technischen Systemen zu verschmelzen – das ist die Idee von Engineered Living Materials (ELM). Lebende Bakterien, Pilze oder Algen werden in ein Materialgerüst eingebettet und produzieren entsprechend ihres ursprünglichen oder modifizierten Genoms Wirkstoffe oder technisch nutzbare Stoffwechselprodukte. Ziel ist es, biologische Fähigkeiten direkt in technische Komponenten zu integrieren. Im Bausektor wird etwa an Biobeton geforscht, bei dem Bakterien CO2 aus der Atmosphäre zu Kalkstein mineralisieren. Mit geeigneten Füllstoffen entsteht klimafreundliches Baumaterial. Noch visionär sind Medizinanwendungen, bei denen in ein Implantat eingebettete Mikroben im Körper benötigte Wirkstoffe erzeugen. Schon näher an der Anwendung sind selbstbefeuchtende Kontaktlinsen, die am Leibniz-Institut für Neue Materialien (INM) in Saarbrücken entwickelt werden. In der Linse verkapselte Bakterien produzieren kontinuierlich Hyaluronsäure zur Augenbefeuchtung als Ersatz für Augentropfen. Vor der geplanten Markteinführung sind jedoch weitere Forschung und regulatorische Prüfungen nötig. Wolfgang Luther

Klimaanpassung: Flächenversiegelung im Blick

Die jährlich zunehmende Flächenversiegelung steht in Konflikt mit Zielen der deutschen Nachhaltigkeitsstrategie, wie dem Schutz vor Starkregenereignissen oder dem Erhalt der Biodiversität. Deshalb soll die täglich zulässige Versiegelungsfläche bis 2030 unterhalb von 30 ha liegen. Normalerweise wird die Flächennutzung anhand von Daten der Katasterbehörden ermittelt. Diese erfassen aber nicht alle versiegelten Flächen und können nur mit großem Aufwand ausgewertet werden.

Forschende der Ruhr-Universität Bochum haben jetzt für NRW eine künstliche Intelligenz (KI) trainiert, die genauere Ergebnisse über versiegelte Flächen ausgibt. Die Basis dafür sind frei verfügbare, georeferenzierte Luftaufnahmen. Die KI wurde so trainiert, dass sie relativ zuverlässig zwischen versiegelten und nicht versiegelten Flächen unterscheidet. Mittlerweile funktioniert der Algorithmus so gut, dass 90 % der Flächen korrekt klassifiziert werden. Die Analyse ist so programmiert, dass sie auch von Personen ohne spezifisches Vorwissen über die KI durchgeführt werden kann. Auf diese Weise lassen sich die Untersuchungen regelmäßig wiederholen und Veränderungen des Versiegelungsgrads präzise bestimmen. Heike Seitz