Fraunhoferweiter.vorn Das Magazin 1 / 20 Gutes Geld Nachhaltigkeit: So verbindet sie heute Ökologie & Ökonomie Gesundheit: Ausweg aus der Antibiotika-Krise Mobilität: Autonom fahren — aber ohne Gefahr Sicherheit: Wie Mikrowellen Drohnen bekämpfen Ole Hansen, Projektleiter am Fraunhofer WKI

Fraunhofer – Das Magazin 1.20 - 3 Innovationskraft erhalten in Zeiten der Krise Prof. Reimund Neugebauer © Fraunhofer/Bernhard Huber Veränderungen nur erfolgreich in der Verbindung mit Wert- schöpfung verwirklichen können. Ökonomie und Ökologie sind keine Gegensätze. Sie werden sich immer vereinen in dem Ziel, dem Menschen und der Menschheit eine gute Zukunft zu bereiten. Im Bloomberg Innovation Index 2020, der die Innovations- kraft von Volkswirtschaften bewertet, ist Deutschland gerade auf Platz eins vorgerückt und hat Südkorea, immerhin sechs Jahre lang Spitzenreiter, auf den zweiten Rang verdrängt. Die USA sind auf Platz neun zurückgefallen. Wir haben die Kraft, Zukunft zu gestalten. Lassen Sie uns weiterhin Leiden- schaft und Energie in unsere Forschung investieren. Sie wird entscheiden über unsere Wirtschaft, unseren Wohlstand und unser Wohlergehen. Bleiben Sie gesund! Ihr Reimund Neugebauer Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft Inmitten des wärmsten Winters seit Beginn der Wetterauf- zeichnungen dominierte zu Jahresbeginn ein einziges Thema das Weltwirtschaftsforum: Klima. Aus der Höhenluft von Davos, 1560 Meter hoch in der Schweiz gelegen, erreichte uns ein positives Signal. Die Wirtschaft sei nicht der natür- liche Feind der Klimapolitik. Die Wirtschaft sei ganz im Gegenteil die größte Hoffnung im Bemühen, die Klimakrise zu bewältigen. Nur wenige Wochen später haben wir erleben müssen, wie schnell diese Thematik in der öffentlichen Diskussion aller und im persönlichen Erleben des Einzelnen kaum noch eine Rolle spielt. Sie ist abgelöst durch eine andere Krise. Ein neu- artiges Virus, dem die Weltgesundheitsorganisation WHO den Namen »Severe Acute Respiratory Syndrom«-Coronarvirus-2 gegeben hat, erschüttert alle und alles. Wieder stellen wir fest: Es ist ein einziges Thema, das den Diskurs dominiert. Lassen Sie uns in diesen aufgeregten Zeiten nicht Strömungen hinterherlaufen, sondern Flussrichtungen vordenken. Das ist der Beitrag, wie ihn Deutschland und Eu- ropa von der Fraunhofer-Gesellschaft als weltweit führende Organisation für angewandte Forschung erwarten können. Wie wichtig und wie wohltuend das Fachwissen der For- schenden wird, wenn die Welt in Aufgeregtheiten versinkt, haben wir gerade erfahren. Fachleute sind es, die beruhigen, wenn die Panik hochkocht; sie sind es, die auf reale Gefahren hinweisen, wo sie die Gesundheit und das Leben bedrohen; sie werden es sein, die in hoffentlich naher Zukunft Impf- schutz und Heilung bereitstellen können. Nie war Forschung so wichtig wie heute. Ob Klimakrise, ob Gesundheitskrise, ob Wirtschaftskrise: Wo immer eine Gesellschaft sich neu definiert und definieren muss, sie wird

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 5 34 Stimme aus der Wirtschaft Dr.-Ing. Peter Leibinger, Trumpf GmbH + Co.KG, fordert mehr Einsatz für Quanten-Technik in Deutschland. 42 Mikrowellen gegen Minihelikopter Immer öfter werden Drohnen zur Gefahr. Fraunhofer forscht für mehr Sicherheit. 61 Antibiotika-Krise: Wie Phagentherapie helfen kann Im Kampf gegen multiresistente Keime bringt eine 100 Jahre alte Idee neue Hoffnung. 46 Die Jagd nach der Anti- Icing-Formel Fliegst du schon oder enteist du noch? Neue Technik spart Zeit, Geld – und Chemikalien. 41 42 44 46 48 Was essen wir morgen? Das Fraunhofer ISI hat sich mit der Ernährung der Zukunft beschäftigt: die wichtigsten Trends. Mikrowellen gegen Minihelikopter Immer öfter werden Drohnen zur Gefahr – neue Techniken schaffen mehr Sicherheit. Fraunhofer weltweit Entwicklungen und Projekte international. Die Jagd nach der Anti-Icing-Formel Flugzeuge zu enteisen kostet Zeit, Geld und verbraucht sehr viel Chemie. Doch gibt es auch neue Möglichkeiten. Film und Musik ganz neu hören Corona hat es gezeigt: In der Krise wird das eigene Heim zum Lebensmittelpunkt. Das Fraunhofer IIS forscht fürs perfekte Konzert- und Filmerlebnis daheim. 50 52 57 61 67 Killer im eigenen Körper Das Fraunhofer ITEM erforscht die Mechanismen der Metastasenbildung. Ein Bergwerk heizt ein So schafft Wasser aus stillgelegten Stollen Wärme im Winter und Kühle im Sommer. Kleines Ding, große Chancen Memristoren: Sie könnten der Künstlichen Intelligenz zusätzlichen Schub geben. Multiresistente Keime Die Therapie ist 100 Jahre alt. Doch jetzt bekommen Phagen ganz neue Bedeutung in der Antibiotika-Krise. Prüfstein Sicherheit Fraunhofer schafft neue Chancen für das intelligente Fahren. Windkraft war 2019 mit einem Plus von 15,7 Prozent zum Vorjahr erstmals die stärkste Energiequelle in Deutschland. 2020 brachte der Winterorkan Sabine einen Windstrom- rekord nach Deutschland. Zeitweise wurden 43,7 Gigawatt Windstrom ins Netz eingespeist. Insge- samt erhöhte sich der Anteil der Erneuerbaren Energien nach einer Aus- wertung des Fraunhofer ISE im vergangenen Jahr von 40,6 auf46

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 7 Regenerative Energie intelligent nutzen Die erzeugte Energiemenge regenera- tiver Quellen schwankt. Überschüs- sige Solar- oder Windenergie lässt sich jedoch nur schwer speichern oder über weite Strecken transpor- tieren. Die Lösung: das innovative Energiemanagementsystem des Fraun- hofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. Die Amsterdamer Wasserhäuser aus Holz-, Glas- und Synthetikelementen sind nicht nur wegen ihrer preisgekrönten Archi- tektur aufsehenerregend, sondern auch wegen ihres innovativen Energiemanage- mentsystems. © Isabel Nabuurs Das System ermöglicht es, Photovoltaikanlagen, Batteriespei- chersysteme, Wärmepumpen und Elektroautos intelligent zu koppeln – und einzelne Haushalte trotz der Schwankungen weitestgehend mit regenerativer Energie zu versorgen. In einem Pilotprojekt in Amsterdam wurde es in einer Siedlung aus 30 schwimmenden Häusern erfolgreich getestet. »Wir haben hier unser bereits existierendes Energiemanage- ment für einzelne Häuser zu einem Energiemanagement- system für ganze Energiegemeinschaften weiterentwickelt«, erklärt Projektleiter Matthias Klein, stellvertretender Abtei- lungsleiter »High Performance Computing« am Fraunhofer ITWM. »Das System steuert Photovoltaik-Anlagen ebenso wie Wärmepumpen, füllt die Batteriespeicher, sorgt für geladene Akkus in den Elektroautos und unterstützt somit auch die Sektorenkopplung.« Keine einfache Angelegenheit: Denn auch an wolkenverhangenen Tagen muss jederzeit genug Energie für alle zur Verfügung stehen, ohne dass es zu einer Überlastung des gemeinsamen Netzanschlusses kommt, der dann zusätzlich Strom liefert. Das Energiemanagement ist modular aufgebaut und dient als eine Art »Drehscheibe für Energie«. Sprich: Es analysiert zu jedem Zeitpunkt, wo die Energie hin soll. Dabei funktionieren die in den einzelnen Häusern installierten Photovoltaikanla- gen, Wärmepumpen und Energiespeicher wie ein einziges großes System. Zum Beispiel: Die Bewohner des Hauses A sind im Urlaub, die Bewohner des Hauses B feiern eine Party und haben einen hohen Energiebedarf. Die Energie der Photovoltaikanlage fließt dann aus Haus A in Haus B. Ist es draußen bereits dunkel und erzeugt die Anlage keinen Strom, greift das System auf die Energiespeicher zu – auch dies erfolgt häuserübergreifend. Die Module des Energiemanagementsystems können auch einzeln verwendet und auf den jeweils gewünschten Anwendungsfall zugeschnitten werden. »Es gibt bereits 60 bis 70 dauerhafte Installationen unseres Systems – vom einzelnen Privathaushalt über Kantinen und ganze Betriebe bis hin zu einer Kläranlage«, sagt Klein. Vertrieben wird das System seit Anfang 2019 über die Wendeware AG, ein Spin- off des Fraunhofer ITWM. Modulares Energie- manage- ment: Energie dorthin steuern, wo sie gebraucht wird.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 9 Die beiden Booster der Ariane 5 fassen je 238 Tonnen Treibstoff. Nicht nur die Spritkosten machen den Start teuer. Microlauncher sollen Cube Sats in Zukunft billiger transportieren. © John Kraus/ESA Das Aerospike- Triebwerk ver- braucht bis zu 30% weniger Treibstoff. Schneller im All Kleinsatelliten, wegen ihrer Würfelform auch Cube Sats genannt, erobern den erdnahen Orbit. Sie sind kostengünstig und schnell gebaut, Airbus produziert sie seit letztem Jahr in Florida am Fließband. Miniraketen, für die Fraunhofer-Forscher ein neues, effizi- entes Triebwerk konstruiert haben, sollen Cube Sats bald unabhängig von großen Trägerraketen auf die gewünschte Umlaufbahn bringen. Bisher müssen Cube Sats auf den Start von Ariane, Vega und Co. warten und mit der Bahnlage des Hauptpassagiers, meistens ein großer Satellit, vorliebneh- men. Das könnte sich bald ändern: Miniraketen, sogenannte Microlauncher, lassen sich unter den Flügel eines Flugzeugs hängen, von dort aus zünden und so schnell und zielgenau ins All bringen. Einen klassischen Weltraumbahnhof benöti- gen die flexiblen Microlauncher nicht, nur einen Flughafen, von dem die Spezialflugzeuge aus starten können. Im Ge- spräch ist bereits der ehemalige Militärflugplatz in Nordholz bei Cuxhaven. Der Nachteil: Die Nutzlast für Microlauncher ist beschränkt, mehr als 350 Kilogramm können sie nicht transportieren. Umso wichtiger ist es, sie mit Triebwerken auszurüsten, die leicht sind und wenig Treibstoff verbrauchen – ideal sind sogenannte Aerospike-Triebwerke. »Die technologische Konzeption ist erstmals in den 1960er- Jahren aufgekommen. Aber nur durch die Freiheiten der additiven Fertigung ist es uns gelungen, diese effizienten Triebwerke jetzt auch herzustellen«, sagt Michael Müller, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Additive Manufacturing Center Dresden (AMCD), das gemeinsam vom Fraunhofer- Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und von der TU Dresden betrieben wird. Die Aerospike-Düse passt sich auf dem Weg von der Erde in den Orbit an die Druckverhältnis- se in unterschiedlichen Flughöhen an. Dadurch arbeitet sie effizienter und benötigt bis zu 30 Prozent weniger Treibstoff als herkömmliche Triebwerke. Sie besteht aus einem sta- chelförmigen Zentralkörper, über den die Verbrennungsgase beschleunigt werden. Ebenso wie der Treibstoffinjektor und die Brennkammer wird die Düse per Laser Powder Bed Fusi- on, einem additiven Fertigungsverfahren, Schicht für Schicht hergestellt. Das Aerospike-Triebwerk ist insgesamt kompakter als konventionelle Systeme, die Rakete wird leichter. »In der Raumfahrt ist jedes eingesparte Gramm Gold wert. Je schwe- rer das Gesamtsystem, desto weniger Nutzlast kann transpor- tiert werden«, erklärt Müller. In der Brennkammer herrschen Temperaturen von mehreren Tausend Grad Celsius – bisher ein großes Problem der Aerospike-Triebwerke. Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht jedoch eine effektive Kühlung mittels eines komplexen Systems, das sich konventionell nicht fräsen oder gießen lässt. Es umfasst innen liegende, einen Millimeter schmale Kühlkanäle, die der Kontur der Brenn- kammer folgen. Der Prototyp des Aerospike-Triebwerks wurde bereits erfolg- reich getestet und erzielte eine Brenndauer von 30 Sekun- den. Die Wissenschaftler arbeiten zurzeit daran, die Effizienz des Antriebssystems weiter zu steigern.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 11 Forschen für eine heilere Welt: »Die Menschheit sollte wieder lernen, mit der Natur zu leben«, sagt Anita May. Sie selbst arbeitet als Gruppenleiterin am Fraunhofer-Zentrum für Chemisch-Biotechnolo- gische Prozesse CBP.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 13

Fraunhofer. Das Magazin 4.19 - 15 Das Auto als Feindbild? Die Ökobilanz von Haustie- ren hat das Schweizer Beratungs- unternehmen ESU-services untersucht. Vielleicht sagt der Klima-Killer auch leise »Miau«. Die Haltung eines Pferdes verbraucht pro Jahr 3,1 Tonnen CO2 – das ent- spricht laut ESU-services einer Fahrtstrecke von 9170 Kilometern mit dem Auto. Alle Umweltbe- lastungen eingerechnet, kommen die Schweizer sogar auf 21 500 Kilo- meter. Zum Vergleich: Ein Auto in Deutschland fährt pro Jahr durchschnittlich gut 13 000 Kilometer. © Grafik: Daniela Leitner

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 17

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 19 Klima-Killer Digitalisie- rung? Wer abends eine Stunde Video- Streaming genießt, könnte auch 3,5 Kilometer Auto fahren. Der CO2-Verbrauch der Digitalbranche beträgt laut Schätzungen das Doppelte des gesamten Flugverkehrs weltweit – und macht damit vier Prozent der weltwei- ten Emissionen aus. Schon 2025 könnte die Digitalbranche mehr Treib- hausgase erzeugen als der gesamte Kfz-Verkehr. © Grafik: Daniela Leitner

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 21 Kleidung leihen statt kaufen? »Die untersuchten Modelle sind ökonomisch tragfähig«, sagt Dr. Johannes Schuler, Projekt- leiter am Fraunhofer ISI.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 23 Prof. Charli Kruse leitet die Fraunhofer-Einrichtung für Marine Biotechnologie und Zelltechnik EMB.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 25 Prof. Julia Arlinghaus leitet seit Oktober das Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automa- tisierung IFF in Magdeburg. © Viktoria Kühne Sie machen sich zur Fürsprecherin für den – entschul- digen Sie das Unwort – Faktor Mensch. Wie schaffen Sie es, gegenüber Wirtschaftsunternehmen in härter werdenden Zeiten zugunsten dieses weichen Faktors zu plädieren? Ehrlich gesagt muss ich da gar kein Unternehmen überre- den. Im Gegenteil erlebe ich, dass die Wirtschaft mit diesen Fragen zu uns kommt. In unserem Institut haben wir in allen Abteilungen Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, die sich auf Lernprozesse und Anpassungsprozesse spezialisiert haben. Meine Erfahrung: Die Wirtschaft nimmt das Angebot, dass wir das neben der Technologie zusätzlich leisten, dankend an. Für die Zukunft forschen, dabei aber die Gegenwart nicht vergessen? Klar müssen wir bei Fraunhofer fünf, zehn, vielleicht auch noch mehr Jahre vorausdenken. Aber wir dürfen nicht vergessen: Die Lebenswirklichkeit der Menschen entwickelt sich langsamer. Und auch eine Fabrik steht schon 80, manchmal 100 Jahre. Da reicht es nicht, über visionäre Ideen zu sprechen. Da müssen wir auch Traditionen, historische Abläufe und gewachsene Strukturen berücksichtigen. Nur so erreichen wir den deut- schen Mittelstand. Wir müssen die Menschen und wir müssen die Unternehmen dort abholen, wo sie wirklich stehen. Wo sehen Sie künftig die großen Herausforderungen? Dieser Spagat zwischen dem Heute und einem Übermorgen ist die eine. In meiner Forschung beschäftige ich mich seit vielen Jahren schon mit Supply-Chain-Risiko-Management. Wir müssen flexibler und resilienter gegenüber Störungen und Schwankungen werden. Wir müssen unsere Energie- und unsere Produktionssysteme gemeinsam denken – das ist ein ökologischer und ökonomischer Weg in die Zukunft. »Prof. Julia Arlinghaus »Wir haben die Kohlendioxid- emissionen um bis zu 80 Prozent und die Energiekosten um bis zu 60 Prozent reduziert.«

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 27 Schätze aus dem Smartphone Rohstoffe, wie sie in nahezu jedem Elektrogerät oder Smartphone stecken, sind wertvoll. Und sie werden immer kostbarer — denn die Preise steigen! Autor: Mehmet Toprak Ein Kilo Gallium: 270 US-Dollar. Ein Kilo Tantal: 260 US- Dollar. Das Kilo Kobalt: 24 US-Dollar. Recycling wird nicht nur wichtiger, weil die Rohstoffe selten sind. Es wird auch immer mehr zum Geschäftsmodell. Allerdings gibt es ein Problem: Die Rohstoffe aus alten Smartphones oder Note- books zu extrahieren ist schwierig. Gerade, wenn sie wie Tantal in winzigen Kondensatoren versteckt sind, ist es bisher kaum möglich, sie zurückzugewinnen. Am Ende werden viele Komponenten eingeschmolzen und die wertvollen Metalle und Seltenen Erden gehen unwiederbringlich in der Schla- cke verloren. Prof. Reinhard Noll und Cord Fricke-Begemann wollen das ändern. Beide arbeiten am Aachener Fraunhofer- Institut für Lasertechnik ILT und haben mit ihren Mitarbeitern Konzepte entwickelt, die einen völligen neuen Ansatz beim Recycling ermöglichen. Prof. Noll ist Koordinator des EU-Projekts ADIR. Seit 2015 erforschen neun Projektpartner aus vier Ländern, wie sich Elektronikprodukte halbautomatisch zerlegen und die darin enthaltenen Wertstoffe möglichst vollständig zurückgewin- nen lassen. Dr. Cord Fricke-Begemann leitet am ILT die Grup- pe Materialanalytik und die Projektarbeiten des ILT in ADIR. An den FuE-Arbeiten zur Robotik ist das Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg be- teiligt. Bisher hatte man beim Recycling Geräte erst mal de- montiert und dann versucht, die Wertstoffe herauszuholen. Der besondere Ansatz von ADIR: Die Elektronikkomponenten werden schon vor dem Zerlegen analysiert, um die begehrten Stoffe zu lokalisieren. Die Technologien sind eine clevere Kombination von Bewährtem: intelligente Prozessführung, flexible Robotik, hochauflösende Kameras inklusive Bildauswertung, mindes- tens drei verschiedene Lasertechniken. Nicht umsonst ist das ILT eine der führenden Forschungsstätten für Lasertechno- logie in Europa. Die Recycling-Anlage besteht aus mehre- ren Stationen. An jeder Station steht zunächst einmal die Erkennung des Produkts oder des Bauteils im Fokus. Handys werden zuerst nach Typ und Modell sortiert. Eine Datenbank hilft bei der Erkennung. Nun wird das Gehäuse des Handys aufgefräst und geöffnet. Besondere Vor- sicht gilt dem Akku, den der Roboter unbeschädigt entnimmt und einer gesonderten Verwertung zuführt. Die jetzt offen liegenden Platinen werden im nächsten Schritt mit hochauf- lösenden Kameras aufgenommen und die Bilder werden von einer Analysesoftware im Zusammenspiel mit einer internen Datenbank ausgewertet. Diese erkennt in der Regel schon, welcher Platinentyp vorliegt, und lokalisiert Bauteile, die wert- volle Rohstoffe wie Metalle oder Seltene Erden enthalten. Hinzu kommt die Technologie, bei der das ILT über besondere Kompetenz verfügt: Laser. Damit lassen sich drei verschiede- ne Aufgaben ausführen. Die 3D-Vermessung erstellt ein Hö- henprofil der Platine, das weitere Rückschlüsse auf Struktur und Aufbau ermöglicht. Die Laserspektroskopie dringt sogar in die Oberfläche der elektronischen Bauteile ein und kann darin enthaltene Wertstoffe identifizieren. Sind Platine und Komponenten analysiert und identifiziert, tritt Laser Nummer drei in Aktion, um einzelne Komponenten zu entlöten oder herauszuschneiden. Mit der Kombination dieser Techniken lassen sich winzige Kondensatoren, die das wertvolle Tantal enthalten, herauspicken und einer Sortierfraktion zuführen. »Wir können Tantal in einer Fraktion mit einem Gehalt von über 30 Prozent anreichern«, erklärt Projektleiter Fricke-Bege- mann. »Das ist deutlich mehr als im Tantalerz-Konzentrat, das die Hersteller von ihren Zulieferern bekommen.« Manchmal sind einzelne Module mit einer Platine oder dem Gehäuse verklebt, beispielsweise der Vibrationsalarm von Handys. Der besteht in der Hauptsache aus einem winzi- gen Motor und einer Unwuchtmasse. Diese besteht nahezu zu 100 Prozent aus Wolfram. Die verklebten Motoren werden von den Fraunhofer-Experten mit elektromagnetisch erzeug- ten Stoßwellen vom Gehäuse gelöst. Mensch, Software, Kameratechnik, die verschiedenen Laser- Verfahren zum Messen, Entlöten, Schneiden und Roboter mit ihren Greifarmen, sie alle bilden damit das perfekte Recycling-Team. Es ist in der Lage, auch komplexe und hoch integrierte Elektronikprodukte sauber zu zerlegen und die darin enthaltenen Stoffe in größtmöglicher Reinheit zurück- zugewinnen. Mit der Grundidee beschäftigt sich Fricke-Bege- mann schon seit fünf Jahren. Inzwischen steht das Projekt vor dem Abschluss. Die Machbarkeit des Konzepts ist bewiesen, und es kann mit höheren Durchsätzen auch wirtschaftlich funktionieren. Dafür sind vom ILT und seinen Partnern noch die erkannten Verbesserungsmöglichkeiten umzusetzen. Der Feinschliff ist an einigen Stellen noch nötig, bevor die Lösung dann tatsächlich an die Industrie übergeben werden kann. Mensch, Software, Laser — alles bildet zusammen das perfekte Recycling- Team.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 29 Gerd Unkelbach leitet das Fraunhofer-Institut CBP. Seine ganz persönliche Leidenschaft gilt dem Stoff, der Bäume stehen lässt: Lignin. © Norman Konrad zu bekommen und auf eine Basis zu stellen, mit der sich neue Produkte herstellen lassen, das ist für mich wirklich spannend. Irgendjemand hat mal gestöhnt, man könne alles aus Lignin machen, außer Geld. Und das ist natürlich der Anreiz für mich, genau dieses Problem zu lösen und auch hochindividuelles Lignin in die Industrie zu bringen – zum Geldverdienen. Ihr Institut arbeitet ja sehr intensiv an nach- wachsenden Rohstoffen. Wo sehen Sie da die größte Perspektive? Wir wollen Produkte entwickeln, die existierende fossil basier- te Produkte ersetzen. Oder, und das ist die eigentliche Kunst, Produkte, die bessere Eigenschaften haben als fossil basierte. Nehmen Sie zum Beispiel eine Kunststofffolie, die nicht nur biobasiert und bioabbaubar ist, sondern auch noch reißfester als die erdölbasierte. Sie schaffen die Möglichkeit zum Geldverdienen, indem Sie geringeren Schaden für die Umwelt mit mehr Nutzen für den Verbraucher verbinden? Ja. Wenn ein Produkt mehr bietet, dann ist es dem Endver- braucher auch mehr Geld wert. Dann kommt es zuerst in den hochpreisigen Markt, später in den Massenmarkt. Und damit kann man dann wirklich etwas bewegen – auch für die Umwelt. »Wir müssen mit dem, was wir machen, Geld verdie- nen können. Sonst hat es keine Zugkraft.« Wenn Sie junge Menschen für Chemie begeistern wollen, wie erreichen Sie das? Die Botschaft ist wirklich ganz einfach: Mit Chemie kann man Gutes tun – und damit auch noch Geld verdienen. »Gerd Unkelbach »Wir wollen Produkte entwickeln, die bessere Eigenschaften haben als fossil basierte. Das ist die Herausforderung.« So ist die chemische Industrie ja auch zu einem nicht ganz kleinen Arbeitgeber geworden … … mit 460 000 Arbeitsplätzen in unserem Land. Deutsch- land ist der größte Chemieproduzent in Europa. Der volks- wirtschaftliche Mehrwert gerade der deutschen Chemie ist riesengroß. Chemie ist für unser Land ähnlich wichtig wie das Automobil, auch wenn man darüber weniger spricht. Nur: Das wollen die meisten Leute nicht wahrhaben. Der Endkunde fährt mit dem Auto, der stellt sich aber nicht die Frage, wo das Polyamid herkommt oder das Polyurethan fürs Armaturenbrett. Was beschäftigt Sie aktuell am meisten? Mein persönliches Steckenpferd ist der nachwachsende Roh- stoff Lignin. Diesen Stoff, der die Zellulosefaser umrundet und vor bakteriellem Abbau schützt, finden wir im Holz oder im Stroh, eigentlich in allen verholzenden Pflanzen. Lignin ist der Klebstoff, der es ermöglicht, dass der Baum nach oben wächst, damit seine Blätter genügend Sonne einfangen können. Das Lignin wird aber von jeder Pflanze individuell aufgebaut. Das bringt die Chemie an ihre Grenzen, wenn sie das Molekül nutzen will. Diese Schwierigkeit in den Griff

Gigantisches Potenzial: Elf Milliarden Kilowattstunden verbrauchen Personen- und Güterzüge im Jahr. Und noch ein dritter Faktor beeinflusst den Energiever- brauch: die Fahrweise der Züge. Beschleunigen sie stets bis zur Höchstgeschwindigkeit und bremsen erst bei der Einfahrt in die Station? Oder fahren sie mit leicht reduziertem Tempo und rollen über eine längere Strecke hinweg aus? Unter Ausnutzung aller Möglichkeiten und unter optimalen Bedingungen ließen sich bei der Nürnberger VAG bis zu zehn Prozent der verbrauchten Energie sparen, haben die Forscher vom ADA Lovelace Center errechnet. Für das Unternehmen bedeutet das bis zu 500 000 Euro geringere Stromkosten im Jahr. Für die Fahrgäste würde sich spürbar nichts ändern, sagt Bärmann. Im Fahrplan käme es durch die geringfügig verlängerten Fahrtzeiten zu Verschiebungen um lediglich plus oder minus 15 Sekunden. Wie gewaltig das Einsparpotenzial im Schienenverkehr durch die Optimierung der Fahrpläne ist, haben die ADA-Experten in einem früheren Projekt errechnet. Dazu muss man wissen: Der Zugverkehr ist der größte Stromkonsument in Deutsch- land. Elf Milliarden Kilowattstunden, so viel wie die Stadt Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 31 Berlin, verbrauchen Personen- und Güterzüge im Jahr. Bei der Deutschen Bahn, so das Ergebnis einer ADA-Lovelace-Studie, ließe sich im Personenverkehr allein durch die Optimierung der Fahrpläne die Spitzenlast im Bahnstromnetz um 38 Megawatt im Jahr reduzieren. Der Konzern müsste so fünf Millionen Euro jährlich weniger für Energie ausgeben – bares Geld und gut für die Umwelt. Zwei Jahre arbeiten die Forscher schon an der Aufgabe Doch einen Fahrplan möglichst energieeffizient zu gestal- ten, ist eine gewaltige Aufgabe, wie Andreas Bärmann an einem Beispiel erklärt. Bereits bei vier Zügen mit jeweils drei Haltepunkten und sieben wählbaren Zeiten je Abfahrt gibt es 14 Milliarden mögliche Fahrpläne. Dank Bärmanns Fachge- biet, der mathematischen Optimierung, lässt sich die extrem große Zahl der theoretischen Möglichkeiten auf die tatsäch- lich sinnvollen reduzieren. Dazu, so erläutert Bärmann, sei es allerdings notwendig gewesen, einen speziellen Algorithmus zu programmieren. Zwei Jahre arbeiteten die Nürnberger Forscher daran, diese Aufgabe zu lösen. In einem nächsten Schritt wollen das Team um Bärmann und das Verkehrsunternehmen VAG den Einsatzbereich des Modells erweitern. Dazu sollen Algorithmen für Fahreras- sistenzsysteme entwickelt werden, um die Zugfahrten in Echtzeit zu steuern. »Wir brauchen KI-Methoden, die in der Lage sind, auf Störungen zu reagieren«, beschreibt Bärmann die Herausforderung. Nur dann ließen sich auch im täglichen Betrieb die Einsparpotenziale verwirklichen. In Nürnberg, wo bereits computergesteuerte, fahrerlose U-Bahnen im Einsatz sind, sieht er dazu die besten Möglichkeiten. Die am ADA Lovelace Center entwickelten Algorithmen ließen sich auch in anderen Bereichen nutzen, sagt Prof. Ale- xander Martin, Institutsleiter des Fraunhofer IIS und Chef des ADA Lovelace Center. »Viele Unternehmen wissen oft nicht, welche Daten bei ihnen in welcher Qualität und Menge vorliegen, welche Daten sie für die Lösung einer spezifischen Frage bräuchten, oder umgekehrt: welche Anwendungen sie mit ihren Daten überhaupt optimieren können.« Dabei könne sie die Forschung am ADA Lovelace Center unterstützen. Eine mögliche Anwendung sieht er im Platooning von Lastwagen. Dabei fahren vernetzte Lkw in einem Konvoi und werden vom ersten Fahrzeug aus funkgesteuert – wie ein Zug auf der Straße. Aber auch Produktionsverfahren oder der energiesparende Einsatz von Maschinen ließen sich mithilfe von KI verbessern. Das sei das Besondere am ADA Lovelace Center, sagt Prof. Martin: »Wir entwickeln die Kompetenzen, Methoden und Verfahren am Beispiel der Anwendungen weiter. Das heißt, wir arbeiten an Use Cases, die aus der industriellen Praxis kommen.«

Für den neuen Treibstoff nutzen die Forscher Bioethanol aus Weizenstroh. © Adobe Stock Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 33 klimafreundliche Biosprit setzt deutlich weniger Treibhausgase frei und soll den Tank komplett füllen können. Bei E10 wird das Bioethanol nur zu fünf bis zehn Prozent dem fossilen Benzin beigemischt. »Da merke ich den Klimaeffekt kaum«, so Menne. »Allein E-Autos, Hybrid und Brennstoffzellen werden es nicht schaffen, die Treibhausgas-Emissionen ausreichend schnell zu reduzieren. Wir brauchen einen ganzheitlichen An- satz und viele Lösungen für die Kraftstoffe der Zukunft.« Die Neufassung der Erneuerbare-Energien-Richtlinie (RED II) hat den Handlungsdruck erhöht. Fortschrittliche Kraftstoffe sollen bis 2030 einen Anteil von 3,5 Prozent haben. Die UMSICHT-Forscher produzieren in einer Testanlage bis zu 20 Liter des neuen Biosprits pro Woche. Unter vielen Röhren, Kesseln und Isolierungen stehen am Boden zwei Waagen. Auf einer befindet sich ein kleines Metallfässchen mit Ethanol, auf der anderen ein bauchiges Glasgefäß, in das der fertige Kraftstoff fließt. So können die Forscher schon während der Produktion einfach überprüfen, wie viel in die Anlage fließt und wie viel wieder herauskommt. Sie verwenden Bioethanol, das aus Weizenstroh hergestellt wird. »Aber eigentlich kann ich auch jeden anderen Alkohol nehmen«, sagt Menne. Der Alkohol aus Stroh fließt aus dem Metallfass zuerst noch flüssig durch die Rohrleitungen der Testanlage in einen Verdampfer. Erst nachdem er 350 Grad heiß ist und unter einem Druck von 20 bar steht, strömt der gasförmige Alkohol in das Herzstück der Anlage, den röhren- förmigen Reaktor. Er ist gefüllt mit Stücken aus Aktivkohle, die mit einem neu entwickelten Katalysatormaterial be- schichtet sind. Sie treiben die Kondensation des Gases voran, bei der die einzelnen Kohlenstoffverbindungen gekoppelt werden. Je nachdem wie viele Kohlenstoffe sich verbinden, entsteht Benzin, Kerosin oder Diesel. Mit Alkohol zu Kraftstoffen Entdeckt hatte Menne den Reaktionsbeschleuniger schon während seiner Promotion 2008. »Oft wird ein Katalysator im Labor entwickelt, und es ist dann schwer, ihn in großen Men- gen zu produzieren. Aber für diesen können wir die Materia- lien preiswert kaufen, denn er besteht nicht aus Edelmetallen oder Seltenen Erden. Und vor allem: Er ist langzeitstabil«, so Menne, der darauf 2012 ein Patent angemeldet hat. Genug Power hat der Biotreibstoff. Das haben ihm die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Chemische Technologie ICT im badischen Pfinztal bestätigt. Sie haben den neuen Kraftstoff auf einem Prüfstand mit kommerziell üblichen Motoren getestet. Einhundert Liter hatte Menne den Gutachtern dafür zur Verfügung gestellt. Und wie bei einem Menschen, der auf einem Ergometer strampelt und mit Messtechnik verkabelt ist, um die Stärke seines Herzens zu messen, wurden hier präzise die Motorleistung und die Abgaswerte ermittelt. Alles bei unterschiedlicher Leistung im Betrieb, beim Kaltstart und unter verschiedenen Lasten und Drehzahlen. Viel Power, niedrige Abgaswerte Das Ergebnis: Der Biosprit hat eine etwas höhere Energie- dichte als herkömmliche Kraftstoffe. Ein Fahrzeug mit dem neuen Treibstoff im Tank hätte also in einem echten Rennen die Nase leicht vorn. Auch die Abgaswerte überzeugten beim synthetischen Kraftstoff. Weniger Kohlenmonoxid, Kohlen- dioxid, Kohlenwasserstoffe und wesentlich weniger Ruß kamen aus dem Auspuff. Der Biosprit ist außerdem nah an den physikalischen Eigenschaften von fossilem Diesel und daher normgerecht realisierbar. Um die Ökobilanz zu erstellen, zählt Venkat Aryan, Chemie- ingenieur am Fraunhofer UMSICHT, jedes Molekül der Klimagase in jedem Prozessschritt zusammen. Die »Well- to-Wheel«-Analyse berücksichtigt alle Treibhausgase von der Gewinnung der Rohstoffe bis zur Umwandlung des Treibstoffs in Bewegungsenergie – die Förderung des Erdöls aus der Erde, den Anbau von Pflanzen für den Biosprit, die Abgase. Je nach Ethanolquelle stehen im Ergebnis dem erd- ölbasierten Dieselkraftstoff mit 94 Gramm CO2-Äquivalente je Megajoule 64,3 bis 91,6 Gramm CO2-Äquivalente für synthetischen Diesel aus Weizenstroh gegenüber. Das sind bis zu 32 Prozent weniger. Und Aryan hat bereits einige Ideen, die leicht weitere Einsparungen möglich machen. »Unser Kraftstoff kann zu Benzin, Diesel oder sogar Kerosin für Flugzeuge werden. Aber Letzteres ist am aufwendigsten«, so Menne. Einfacher geht es beim Schiffsdiesel. Er braucht keine Veredlung durch eine Raffinerie. »Man könnte unsere Anlage einfach so in einen Hafen stellen. Unser Verfahren ist so un- kompliziert, dass die Reedereien ihren Diesel selbst produzie- ren könnten. Dann wäre die Zeit der großen Stinker schnell vorbei«, sagt Menne. Auch wenn in Oberhausen nur eine Testanlage steht – die Technologie ist bereits marktreif. Jetzt suchen die Forscher Partner, die im industriellen Maßstab produzieren. Erste Gespräche mit Raffinerien haben die Fraunhofer-Experten schon geführt. Zwar ist der synthetische Diesel bisher teurer als Diesel aus Erdöl. Menne ist aber zuversichtlich, dass sich das bald ändern könnte. Denn mit den neuen gesetzlichen Regelungen werden die fossilen Stoffe nicht mehr so billig herzustellen sein. »Auch die Ansprüche der Verbraucher ändern sich. Die wollen vielleicht nicht nur eine Kreuzfahrt richtig genießen, sondern auch wissen, wie klimafreundlich die Banane aus Kolumbien nach Europa verschifft wurde.« »Ob Stroh, Laub oder Sägemehl - als Ausgangs- stoff für das Bioethanol können wir fast alles verwenden«, erklärt Dr. Andreas Menne.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 35 Es gebe zwei »Naturgesetze« bei der Industrialisierung einer neuen Technologie, erläutert Peter Leibinger, Spitzenmanager des Markt- führers Trumpf. © dpa Dr.-Ing. Peter Leibinger ...wurde am 23. April 1967 in Stuttgart geboren. In Aachen studierte er Maschi- nenbau. ...ist stellvertretender Vorsitzender des Hochtechnologieunternehmens Trumpf GmbH + Co.KG, des weltweiten Marktfüh- rers bei Werkzeugmaschinen und Lasern für die industrielle Fertigung mit 14 490 Mitarbeitenden. ...ist für das Bundesministerium für Bildung und Forschung Sprecher des Programmaus- schusses »Photonik bzw. Quantensysteme«. kommunikation, Quantenkryptographie, Quantum-Imaging und Quantencomputer, zu dem auch die Anwendung von Quantencomputern zählt. Jedes dieser Felder steht für sich, es ist jeweils ein in sich abgegrenztes Gebiet und ist unterschied- lich weit entwickelt. Wo also sollten wir am Industriestandort Europa unseren Schwerpunkt setzen? Die Quantensensorik ist vermutlich das erste Teilgebiet der Quantentechnologie, das für einen Massenmarkt verfügbar sein wird. Mit ihr lassen sich schon bald Magnet- und Gravitationsfelder wesentlich genauer messen als heute. In nicht mehr als fünf Jahren könnte es hochsensible, quantenbasierte Magnetfeld-Senso- ren für 50 Euro im Baumarkt geben, mit denen Heimwerker Kunststoff-Wasserleitungen in der Wand zuverlässig finden können. Wenn wir noch weiter in die Zukunft blicken, sehen wir hochsensible Sensoren, die kontaktlos Hirnströme mes- sen. Das wird die Hirnforschung weiterbringen und könnte irgendwann sogar die Steuerung unseres Smartphones durch die Kraft unserer Gedanken ermöglichen. Wie greifbar dieses erste Gebiet der Quantentechnologie schon heute ist, zeigt unsere Start-up-Ausgründung Q.ant. Das Unternehmen macht mit 15 Mitarbeitern bereits Umsatz. Es produziert spezielle Laser, mit denen sich Quantensensoren betreiben lassen, und arbeitet an kompletten Sensorsyste- men, die auf sogenannten NV-Zentren beruhen. Ebenso wird an Sensoren gearbeitet, die auf nichtlinearen Konvertern beruhen. Dies könnte in Zukunft beispielsweise neue Mikros- kope ermöglichen, mit denen sich dann Zellen in der Medizin zigfach besser analysieren lassen. Mit unserem Engagement in der Quantentechnologie stehen wir in der Industrie aber nicht allein. Das gilt insbeson- dere für Industriebereiche, in denen Deutschland und Europa auf alten Stärken aufbauen können: bei Automatisierungs- lösungen, die durch Unterstützung von Quantentechnologie eine neue Stufe erreichen können; bei industriellen Verfahren, die sich durch Quantentechnologie ganz neu führen lassen; und bei klassischen Industrieprodukten – Stichwort: Auto – die durch Quantentechnologie um ein Vielfaches besser werden können als jemals zuvor. Kurz: Es geht um »Technik made in Europe«. Bewährte Technologien und Verfahren lassen sich mit der Quantentechnologie also neu denken. Hier sollten wir ansetzen – anwendungsorientiert in der Wissenschaft und forschungsnah in der Industrie. Dann entstehen Produkte, die echte Kunden erreichen und den Wirtschaftsstandort Europa stärken. Das Thema Quantentechnologie bietet uns einen neuen Ansatz, Herausforderungen anzugehen – und wir sollten heute damit anfangen. »Anwendungs- orientiert in der Wissen- schaft und for- schungsnah in der Industrie: Dann entstehen Produkte, die echte Kunden erreichen und den Wirt- schafts standort Europa stärken.«

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 37 selbstständig die größten Flächen bearbeiten, Menschen müssten nur noch in kniffligen Bereichen Hand anlegen. Zu- dem können Vermessungsroboter Strahlungskarten erzeugen, um zu verdeutlichen, wo noch radioaktive Bereiche liegen. Der dritte Forschungsbereich, in dem künftig intelligente Maschinen den Menschen belastende Tätigkeiten abnehmen sollen, ist die Mülltrennung. Laut dem Statistischen Bundes- amt produziert jeder Deutsche jährlich etwa 220 Kilogramm Abfall. Insgesamt sind das über 18,1 Millionen Tonnen Restmüll, Sperrmüll und Papiermüll pro Jahr. Etwa zwei Drittel davon werden recycelt. Zwar sind deutsche Verbrau- cher Weltmeister im Mülltrennen, doch wird der Abfall in Müllanlagen immer noch größtenteils händisch sortiert. Mit zahlreichen Sensoren ausgestattete Müllsortierroboter sollen diese Fließbandarbeit bald übernehmen. Fokus auf praxistaugliche Systeme Am Kompetenzzentrum »Robdekon« sind neben dem feder- führenden Fraunhofer IOSB das Karlsruher Institut für Techno- logie (KIT), das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (DFKI), das Forschungszentrum Informatik (FZI) sowie vier mittelständische Industriepartner beteiligt. Vom Bundesforschungsministerium gefördert, soll es als nationale Anlaufstelle und Informationshub für das Thema Dekon- taminationsrobotik fungieren. In sieben bei den einzelnen Partnern verorteten Living Labs sind bisher eine Reihe von spezialisierten Technologiedemonstratoren entstanden. »Höchste Priorität hat die Praxisrelevanz«, betont Petereit. Deshalb ist der Grad der Automatisierung bei den Robotern auch ganz unterschiedlich. »Ein komplett autonomer Betrieb in solchen hochkomplexen Umgebungen ist nach heutigem Stand in der Praxis oft gar nicht nötig. Gefragt sind vielmehr schlaue Assistenzsysteme, die den Bediener entlasten oder mehr hilfreiche Informationen zur Verfügung stellen. Der Mensch will hier immer noch entscheiden und eingreifen können«, so der Forscher. Das zeigen auch die jährlichen Partizipationsveranstaltungen, die das Kompetenzzentrum durchführt, um sich mit Anwendern auszutauschen. Interes- sierte können die Systeme ausprobieren und die Forschenden holen Feedback von den Nutzern ein, was wiederum in die weitere Entwicklung einfließt. Ein technologischer Schwerpunkt von »Robdekon« ist dementsprechend die Mensch-Maschine-Interaktion. Derzeit werden übergreifend drei verschiedene Telepräsenzkonzep- te erprobt, mit denen alle Demonstratoren bedienbar sein sollen: Der Mensch kann sich wahlweise in einer Virtual- Reality-Umgebung gleich einem Holodeck frei bewegen und per Gestensteuerung eingreifen, sich von Exoskeletten bei bestimmten Tätigkeiten unterstützen lassen oder in einem Leitstand mit Joysticks und digitalen Schnittstellen agieren. Ob solche Telepräsenzmethoden auch vom Weltall aus funktionieren, sollten wir eines fernen Tages wirklich unseren Planeten verlassen und das große Aufräumen Robotern über- lassen müssen, ist derzeit noch nicht erforscht. Für schwierige Einsatzorte konzipiert: Dieser Schreit- Fahr-Roboter wurde vom Deutschen Forschungs- zentrum für Künstliche Intelligenz entwickelt und dank »Robdekon« weiter- entwickelt. © DFKI/Florian Cordes 18,1 Millionen Tonnen Müll fallen in Deutschland an — pro Jahr.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 39 Amazon dann nicht wissen, wer man ist und keine Daten da- rüber sammeln können, für was man sich interessiert«, erklärt Steinebach. »Viele nutzen das Tor-Netzwerk inzwischen, um shoppen zu gehen. Sie haben die Erfahrung gemacht, dass sie abhängig von Gerät, Browser oder IP-Adresse unterschied- liche Preise genannt bekommen. Tor ermöglicht es seinen Nutzern, sich unerkannt im Internet zu bewegen. Daher ist es ein mächtiges Werkzeug gegen den gläsernen Bürger.« Das »dunkle Netz« ist hip Es gebe mittlerweile einen regelrechten Trend zum Darknet, für manche gehört es zum »digitalen Lifestyle«. Jeder, der im Internet etwas auf sich hält, hat auch im Darknet eine Präsenz – selbst Facebook hat eine Tor-Adresse. Zu erkennen sind diese an der Endung »onion«. Man findet sie entweder über Suchmaschinen wie »DuckDuckGo«, die eine anonyme Suche ohne Tracking ermöglicht, also ohne dass das Nutzerverhalten protokolliert wird. Oder über sogenannte »HiddenWikis«, die zu verschiedenen Schlagwör- tern Darknet-Seiten auflisten. Oder über das ganz »normale« Internet, wo sich Hinweise auf Darknet-Seiten finden lassen. Früher wurde im Darknet ausschließlich auf Englisch kommu- niziert – heute findet man zunehmend Russisch. »Und das liegt nicht nur daran, dass hier russischsprachige Hacker ihre Dienste anbieten«, stellt Steinebach klar. Vielmehr werde das Darknet von Russen zunehmend als politische Informations- plattform genutzt. »Es gab zum Beispiel eine Website, die eine unabhängige Rechtsberatung anbot und Bürgerrechtlern Tipps gab, wie sie sich gegen staatliche Repressalien zur Wehr setzen können. Diese Informationen mussten in Russ- land aus dem Netz genommen werden – und sind dann eins zu eins ins Darknet gewandert.« Viele große Zeitungen wie die »New York Times« oder der britische »Guardian« haben eine Darknet-Präsenz, damit Informanten anonym Kontakt zu ihnen aufnehmen können. Auch umfassende wissenschaftliche Bibliotheken sind im Darknet zu finden, in denen für alle zugänglich zensurfreie Informationen bereitgestellt werden. »Unsere Untersuchung zeigt: Das Angebot im Darknet ist breit gefächert. Illegale und legale Dienste werden gleicher- maßen genutzt«, betont Steinebach. Für das verbreitete Vorurteil, im Darknet wimmle es von Kinderpornografie, fanden Steinebach und sein Team keine Belege. »Wir erleben hier ein ähnliches Phänomen wie in den 2000er-Jahren beim File-Sharing. Da wurde auch behauptet, dass zu 80 Prozent kinderpornografische Inhalte geteilt wür- den. Wir haben für die Musik- und Filmindustrie im Rahmen von Studien Systeme gebaut, mit denen wir massenweise Content analysiert haben, um unter anderem technische Methoden für Urheberrechtsverletzungen aufzudecken. Kinderpornografie haben wir da kein einziges Mal gefunden. Auch unter unseren Top-Ten-Darknet-Adressen ist keine Seite, auf der man kinderpornografisches Material erwerben könnte.« Das Darknet wird fraglos von Pädophilen genutzt – es wird allerdings nicht von ihnen dominiert, wie oftmals behauptet. »Von 5 000 untersuchten Seiten im Darknet hatten rund vier Prozent einen kinderpornografischen Hintergrund«, so Steinebach, der in Kontakt mit den Strafverfolgungsbehörden steht. Spektakulär war 2017 der Ermittlungserfolg der Polizei gegen die Kinderpornoplattform »Elysium« mit weltweit mehr als 111 000 Nutzern. »Elysium« und zahlreiche andere Ermitt- lungserfolge gegen Cyberkriminalität, Drogen- oder Waffen- händler im Darknet zeigen: Die Polizei ist nicht so hilflos, wie oftmals dargestellt. »Alle großen Marktplätze sind früher oder später hochgenommen worden. Die Polizei arbeitet allerdings weniger mit genialen Hacking-Tricks, sondern setzt vor allem auf verdeckte Ermittler und klassische Ermittlungsarbeit«, sagt Steinebach. Spätestens der Versand der Ware zwingt den Besteller aus der Deckung des Darknet. Das Paket braucht eine Lieferadresse. Clevere Hacker finden Sicherheitslücken Steinebach und sein Team suchen gezielt nach Fehlern im Tor-Netzwerk – eine etablierte Vorgehensweise in der Infor- matik, um Systeme sicherer zu machen. »Wenn wir Sicher- heitslücken finden, geben wir zunächst den Tor-Entwicklern Bescheid. Sie erhalten so die Möglichkeit, den Fehler zu be- heben, bevor wir ihn veröffentlichen.« Doch warum machen sie die Lücke überhaupt publik? »Es wäre naiv zu glauben, dass nicht auch clevere Hacker irgendeiner Diktatur diesen Fehler finden. Da ist es besser, wenn die Entwickler-Commu- nity davon erfährt, den Fehler behebt und Schutzbedürftige nicht länger gefährdet werden.« Diktaturen wie China ist das Darknet ein Dorn im Auge. Mit restriktiven Maßnahmen ist es dem digitalen Überwa- chungsstaat gelungen, den Zugang zum Tor-Netzwerk erheb- lich zu erschweren. »Aber selbst hier schaffen es Bürgerrecht- ler immer wieder reinzukommen«, betont Steinebach. Das Darknet zu verbieten, hält Steinebach, insbesondere vor diesem Hintergrund, für unrealistisch. »Das Internet ist kein Raum, wo man Dinge verbieten kann. Das Tor-Netzwerk ist nicht zentral, sondern läuft aktuell über mehr als 6 000 Knoten auf der ganzen Welt. Nur weil man den Tor-Browser in Deutschland für illegal erklärt, bedeutet das nicht, dass man sich ihn in Frankreich oder den USA nicht runterladen könnte. Man kann den Zugang zum Darknet erschweren, aber es geht nicht abzuschalten. Abgesehen davon halte ich das auch nicht für erstrebenswert.« »Zunehmend auch für Bür- ger, die der umfassenden Überwachung durch Amazon, Google und Co. entgehen wollen.« Prof. Martin Steinebach Tor steht für »The Onion Router«, das »Zwiebelnetz- werk«. Der Name kommt nicht von ungefähr: Das vielschichtige Netzwerk aus Rechnern macht es unmöglich, das Innere zu sehen – die IP-Adresse der Nutzer bleibt verborgen.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 41 Was essen wir morgen? Forscher des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung ISI unter- suchten in einem EU-Projekt, welche Trends die europäische Lebensmittelbranche in den nächsten 15 Jahren prägen werden. Eine Auswahl der wichtigsten: Verringerung von Lebensmittelabfällen 1,3 Milliarden Tonnen Lebensmittel werden jährlich weltweit weggeworfen. Die Kosten von rund 750 Milliarden US-Dollar tragen vor allem Verbraucher und Landwirte. Die Forscher schätzen, dass rund zwei Drittel der Lebensmit- telabfälle in Industrieländern vermeidbar wären, unter anderem durch eine Verbesserung der Pro- duktions- und Logistikprozesse. Der steigende gesellschaftliche Druck und staatliche Vorschrif- ten werden diese Entwicklung befördern – und die Verschwendung bekämpfen. Alternative Proteine Jeder Europäer isst etwa 65 Kilogramm Fleisch pro Jahr, jeder US-Amerikaner sogar 90. Die Folgen sind bekannt: Belastungen für Klima, Umwelt – und die Gesundheit des Konsumen- ten. Um den Proteinbedarf der Weltbevölkerung langfristig zu decken, wird sich das Nahrungs- mittelsystem umgestalten müssen. Innovati- onen wie rein pflanzliche Fleischalternativen, Produkte auf Insektenbasis oder Fleisch aus der Petrischale sind eine Alternative. Das Fraunhofer ISI geht davon aus, dass es zu einer Koexistenz von Fleisch- und alternativer Protein-Industrie kommen wird. Vooking — vegan — glutenfrei Immer mehr Menschen hören auf, Fleisch zu essen – aus gesundheitlichen Gründen, aus Tierliebe oder aufgrund eines wachsenden Bewusstseins für Nachhaltigkeit. »Vooking« (Vegetarian Cooking) und das Kochen mit vega- nen und glutenfreien Zutaten liegen im Trend. Zwar leidet nur rund ein Prozent der Weltbe- völkerung unter einer Glutenunverträglichkeit (»Zöliakie«). Quinoa, Amarant und Co. gelten je- doch als gesündere Alternative zu Weizenmehl. Die Forscher sind überzeugt: Der globale Markt für glutenfreie Lebensmittel wird bis 2025 um 13 Milliarden US-Dollar wachsen. Lokale Lebensmittel-Kreisläufe Der Direktverkauf von Landwirten über Online- Shops oder Obst- und Gemüsekisten hat etliche Vorteile, darunter die Frische und bessere Rückverfolgbarkeit der Produkte, weniger Ver- packungsmüll oder geringere Umweltschäden durch den entfallenden Lebensmitteltransport. Aus klimatischen und saisonalen Gründen sind allerdings nicht alle Produkte verfügbar. Lokale Lebensmittelkreisläufe könnten dazu beitragen, die Nahrungsmittelproduktion bis 2035 von zen- tralen Strukturen auf dezentrale und teilweise autonome Ernährungssysteme umzustellen. Präzisionslandwirtschaft Neue landwirtschaftliche Produktions- und Bewirtschaftungstechniken werden die Effizienz der Produktion steigern und die Nachhaltigkeit erhöhen. Sensoren ermöglichen beispielsweise die genaue Beobachtung und Messung des Pflanzenwachstums, sodass die Stickstoff-Dün- gung zielgenau und variabel erfolgen kann, was den Düngemittelverbrauch insgesamt reduziert. Software identifziert und klassifiziert auf einem einfachen Handy-Foto Krankheiten, Unkraut und Insekten im Feld, liefert weitere wichtige Informationen und gibt Empfehlungen. Der weltweite Umsatz im Bereich Präzisionslandwirt- schaft beträgt zurzeit 4,07 Milliarden US-Dollar. Bis 2025 soll er auf 10,23 Milliarden US-Dollar steigen. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen sind die Basis für »smarte Landwirtschaft«. Selbstlernende, automatisierte Maschinen unter- stützen bei der Aussaat der Pflanzen (Boden- vorbereitung, Saatgutzüchtung, Wasserzufuhr- messung). Ernteroboter erkennen automatisch den Reifegrad. KI könnte auch dazu beitragen, die Qualität und Frische von Lebensmitteln zu verbessern und deren Verschwendung zu verrin- gern, weil Kundenanforderungen und -nachfra- ge bereits vorher bekannt sind. Nachhaltige Lebensmittel für alle Nachhaltige Lebensmittel zeichnen sich durch geringe Umweltbelastung aus und tragen zur globalen Ernährungssicherheit und einem gesunden Leben bei. Innovative Lösungen, die zu mehr Nachhaltigkeit im Lebensmittelsektor führen, sind in allen Bereichen möglich. Zum Beispiel: die Förderung regionaler und saisonaler Lebensmittel, die Steigerung des Bewusstseins über gesunde, nachhaltige Ernährung durch Kampagnen, nachhaltige Produktion durch künstliche Intelligenz oder andere neue Techno- logien. Nutrigenetik Die Genetik beeinflusst die individuelle mensch- liche Gesundheit und Ernährung (Nutrigenetik) und umgekehrt. Aus dieser Erkenntnis lassen sich individuelle Ernährungsempfehlungen ablei- ten. So können Verbraucher ihr Krankheitsrisiko reduzieren und ihre Gesundheit verbessern. Der Umsatzmarkt für Nutrigenetik wurde im Jahr 2017 auf 252 Millionen US-Dollar geschätzt und soll bis 2025 um 16 Prozent wachsen. Mehr Transparenz 85 Prozent der deutschen Konsumenten wollen ihre Lebensmittel zurückverfolgen können. Eti- ketten können Orientierung geben. Regierungen und Unternehmen reagieren, indem sie neue Eti- ketten einführen oder alte, wie das Tierschutzla- bel, standardisieren. Die Digitalisierung wird eine größere Transparenz und Rückverfolgbarkeit des Produkts ermöglichen und der Druck auf die Anbieter steigen, Verbraucherpräferenzen zu berücksichtigen. Steigende Marktmacht von Einzelhändlern Die Konzentration im Lebensmitteleinzelhandel ist auf ihrem Höhepunkt. Wenige Unternehmen, die die wichtigsten Vertriebskanäle kontrollieren, dominieren den Markt. Die Folge: eine Macht- verschiebung weg von den Lebensmittelprodu- zenten hin zu den Händlern. Im Jahr 2018 nahm beispielsweise ein europäischer Verband von sechs Einzelhändlern alle Produkte einer großen Marke aufgrund eines Preisstreits aus dem Regal und zwang das Unternehmen so zu Zugeständ- nissen. Es ist zu befürchten, dass die Einzelhänd- ler ihre Macht verstärkt nutzen werden, um ihre Gewinne zu maximieren.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 43 kreist über einem ausgespannten Sicherungsnetz. Dann wer- den hochenergetische gepulste Mikrowellen ausgesendet und wirken auf die Drohne ein. Anfangs schwebt sie noch stabil in der Luft, plötzlich schert sie nach links, dann nach rechts aus, sackt ab, scheint sich zu fangen, taumelt – und stürzt ab. Durch die Landung im Netz bleibt sie äußerlich unversehrt, die Steuerelektronik ist in der Regel jedoch kaputt. »Jede Drohne ist anfällig für die Einwirkung von Mikro- wellen«, erläutert Lanzrath. Das ist ein wunder Punkt, den sie mit praktisch allen elektronischen Geräten teilt. Zwar ist es theoretisch möglich, Elektroniken durch Metallverklei- dungen zu schützen. Doch steigt dadurch das Gewicht, was bei einem Flugobjekt wenig hilfreich ist. Einen vollständigen Schutz hält Lanzrath im Falle der Drohnen für ausgeschlos- sen: »Selbst wenn man die Elektronik mit Metall abschirmt, können die Mikrowellen immer noch durch Spalte an den Rotoren oder Antennen eindringen.« Harte Tests: Bis zu zehn Drohnen werden pro Monat zerstört Der vom Fraunhofer INT verfolgte Ansatz funktioniert – und das nicht nur in der Versuchshalle. Auch auf freiem Feld füh- ren die Experten Versuche durch, lassen Drohnen aufsteigen und versuchen, sie mit HPEM-Equipment außer Gefecht zu setzen. Wegen gesetzlicher Regelungen für den Betrieb starker Sendeanlagen müssen die Forscher immer zuerst eine behördliche Genehmigung einholen. Die Herausforderungen wachsen im Freien. Jetzt ist die Drohne nicht acht, sondern einige Hundert Meter entfernt. Leistungsfähige Modelle bewegen sich mit Geschwindigkeiten von über 100 Stunden- kilometern. Zielgenauigkeit und Reichweite der Abwehrsyste- me sind gefordert. Lanzrath ist aber auch hier gelassen. »Die Reichweite des HPEM-Systems reicht dank Fokussierung durch die Antennen und starker Sendeanlage aus, um unbemannte Luftfahrzeuge (UAS) auch unter freiem Himmel zu erfassen und unschädlich zu machen.« Eine Machbarkeitsstudie läuft noch bis Mitte 2021. In Spitzenzeiten werden am Institut pro Monat infolge der Tests bis zu zehn Drohnen zerstört. Seine Aufgabe als Anti-Drohnenkämpfer hat Marian Lanzrath in gewisser Hinsicht Angela Merkel zu verdanken. Bei einer Wahlkampfveranstaltung der CDU in Dresden im Jahr 2013 war plötzlich eine Videodrohne vor der Bundeskanzlerin aufgetaucht. Gesteuert wurde sie von einem Mitglied der Piratenpartei, das mit der Aktion auf das Problem der all- gegenwärtigen Überwachung aufmerksam machen wollte. Pirat und Drohne konnten schnell gestoppt werden. Doch die Sicherheitsbehörden waren alarmiert. Was wäre gewe- sen, wenn die Drohne keine Kamera, sondern Sprengstoff getragen hätte? Seitdem arbeiten Behörden, Industrie und mehrere Fraunhofer-Institute (s. Kasten) daran, solche Risiken zu minimieren. So schützen wir uns vor Drohnen Neben dem HPEM-Projekt am INT arbeitet Fraunhofer an fünf weiteren Initiativen, um Drohnen zu erkennen und abzuwehren. Vier davon werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit dem Programm »For- schung für die zivile Sicherheit« unterstützt. PROJEKT AMBOS – Abwehr von unbemannten Flugobjek- ten für Behörden und Organisationen mit Sicherheitsauf- gaben | INSTITUT Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE | WAS PASSIERT Ein deutsch-österreichisches Verbundprojekt das seit Februar 2017 daran arbeitet, Drohnen zu erkennen, zu analysieren und Abwehrmaßnahmen durchzuführen. PROJEKT ArGUS – System zur situationsbewussten Abwehr von Gefahren durch UAS | INSTITUT Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB | WAS PASSIERT Das System soll unbemannte Flugsysteme erken- nen und sofort praxistaugliche Einsatzvorschläge machen. PROJEKT ORAS – Sensorgestütztes Überwachungs- und Alarmierungssystem zur Detektion und Verfolgung unbe- mannter Flugsysteme (ORAS) | INSTITUT Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR | WAS PAS- SIERT Das Projekt setzt den Schwerpunkt auf das Erkennen von Drohnen im urbanen Umfeld. Mithilfe von Radarnetz- werken soll ein engmaschiges Überwachungsnetzwerk eingerichtet werden. In Zusammenarbeit mit Abwehrsys- temen könnten beispielsweise Großveranstaltungen wie Volksfeste oder auch Flughäfen gesichert werden. PROJEKT MIDRAS – Mikro-Drohnen-Abwehr-System | INSTITUT Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI | WAS PASSIERT Mithilfe von Massiv-MIMO-Antennen, also der Kombination von meh- reren Antennen in einem Gerät, die das gesamte Umfeld abdecken, sollen die Erkennung von Mikrodrohnen und gegebenenfalls nötige Abwehrmaßnahmen realisiert werden. PROJEKT MODEAS – Modulares DrohnenErfassungs- und AssistenzSystem | INSTITUT Fraunhofer-Institut für Op- tronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB | WAS PAS- SIERT Hier wird eine ganze Batterie von Sensorstationen verknüpft. Die Stationen arbeiten mit hochauflösenden 360-Grad-Kameras, Trackingeinheiten, Richtmikrofonen, Radar, Telezoom-Kameras und Laserentfernungsmes- sern. Das ermöglicht die zuverlässige Entdeckung aller möglichen Flugobjekte. MODEAS wird von Fraunhofer eigenfinanziert. »Selbst wenn man die Elektronik mit Metall abschirmt, können die Mikrowellen immer noch durch Spal- ten an den Rotoren oder Antennen eindringen.« Marian Lanzrath, Fraunhofer INT

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 45 Politische Stabilität ist ausschlaggebend Was sind die wesentlichen Kriterien für die Standortwahl deutscher kleiner und mittelständischer Unternehmen in China? Welche Bedürfnisse haben sie? Das untersuchten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO und der Universität Stuttgart im Auftrag der Regionalregierung von Pujiang. Im innerchinesischen Wettbewerb um Arbeitsplätze und ausländische Investitionen haben bisher vor allem östliche Küstenregionen die Nase vorn. Die Regionalregierung von Pujiang County im mittleren Westen will das ändern. Ein deutsch-chinesisches Kooperationszentrum und ein neuer Industriepark sollen vor allem kleine und mittelständische Unter- nehmen aus Deutschland in die Region locken. Die Studie des Fraunhofer IAO liefert überraschen- de Ergebnisse: »Wir hatten im Vorfeld vermutet, dass finanzielle Faktoren wie staatliche Subven- tionen für die Unternehmen enorm wichtig sind. Doch am wichtigsten war ihnen die politische Sta- bilität, was mit Investitionssicherheit zu erklären ist«, fasst Adrian Barwasser zusammen, wissen- schaftlicher Mitarbeiter am Institut für Arbeitswis- senschaft und Technologiemanagement der Uni Stuttgart. Außerdem wünschen sich die Unterneh- men Unterstützung in rechtlichen und politischen Fragen. »In China kann sich die Gesetzeslage innerhalb weniger Wochen ändern. Gesetze werden wesentlich schneller verabschiedet als in Deutschland. Dann müssen Unternehmen schnell und richtig reagieren«, erklärt Barwasser. China Israel Keine Chance für Herpesviren Fraunhofer weltweit Schotterhaufen und Arbeitern bewegen kann. Um Entscheidungsfindungen in Bauprozessen digital zu unter- stützen, richtet Fraunhofer Italia zudem das BIM Simulation Lab ein. Im Rahmen dieses Projektes werden drei Software-Systeme entwickelt, die das »Building Information Modeling (BIM)« er- möglichen, eine Methode der ver- netzten Planung, Ausführung und Bewirtschaftung von Gebäuden. Herpesviren bleiben ein Leben lang im Körper. Sie ruhen, vom Immunsystem uner- kannt, in Nervenzellen und kön- nen von dort aus immer wieder In- fektionen hervorrufen. Derzeitige Behandlungsmöglichkeiten lindern lediglich die Symptome, können aber einen erneuten Ausbruch nicht verhindern. Das wollen For- scher des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrens- technik IGB in Stuttgart zusam- men mit Kollegen der Hebräischen Universität in Jerusalem ändern. Im Kern der infizierten Wirtszelle verursacht ein kodiertes Protein die Vermehrung des Herpes- simplex-Virus-1 (HSV-1). Dadurch kommt es zum Ausbruch der Krankheit, wie etwa dem Lippen- Herpes. Dieses Protein kann durch bestimmte Ribonukleinsäuren blockiert werden. Das Team um Gershon Golomb, Hebrew Univer- sity, und Steffen Rupp, Fraunhofer IGB, forscht daher an der Entwick- lung eines liposomalen Träger- systems, das die blockierenden Ribonukleinsäuren stabilisiert und möglichst gezielt in die infizierten Zellen bringt, um eine Reaktivie- rung des Virus zu verhindern. Den Wissenschaftlern gelang es, ein optimiertes liposomales System (LipDOPE-siHSV) herzustel- len. »Es wurde eine signifikante antivirale Aktivität in mit HSV infizierten Zellen erzielt«, erklärt Steffen Rupp.

Eis am Flugzeug? Für die Fluggäste ist es ärgerlich, weil es sie Zeit kostet. Für die Fluggesellschaften ist es teuer, da die Enteisung eines einzigen Flugzeugs 400 bis 600 Liter Chemikalien verbraucht. »Wir sind«, versichert Elmar Bonac- curso, Materialwissenschaftler bei Airbus, da sehr glaubhaft, »permanent auf der Suche nach einer umweltfreundlicheren Anti-Icing-Formel!« Eine ökologisch nachhaltige Lösung hat Airbus mit For- schenden des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahl- technik IWS sowie der TU Dresden getestet: Im EU-Projekt Laser4Fun entwickelten die Partner mit der Direkten Laser- interferenzstrukturierung (DLIP) ein Laserverfahren, mit dem sich komplexe Oberflächenstrukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich gestalten lassen. Diese ermöglichen ein effektives Anti-Icing. Die Vorteile erläutert Dr. Tim Kunze, Gruppenleiter Oberflächenfunktionalisierung am Fraunhofer IWS: » Zum einen wird das Anhaften von Eis verhindert oder stark reduziert, und zum anderen ist eine geringere Heizleis- tung beim Enteisen erforderlich.« Denn nicht nur am Boden, auch in der Luft ist die Bildung von Eis kritisch. »Wenn das Flugzeug bei Minusgraden durch die Wolken fliegt, gefriert das Wasser innerhalb von Millisekunden auf der Oberfläche. Um die Funktionsfähigkeit von Steuerelementen wie Lande- klappen nicht zu stören, kommen thermische Eisschutzsys- teme zum Einsatz«, erklärt Elmar Bonaccurso. Dabei muss es nicht einmal allzu kalt sein. Denn im Vergleich zu trockenem Eis, das sich bei extremer Kälte bildet, entsteht bereits bei Temperaturen um den Nullpunkt »klebriges« Eis, das zusätz- lich besonders schwer ist. Der Trick: Die Forscherinnen und Forscher nutzen die DLIP- Technologie mit Ultrakurzpulslasern, sodass mehrstufige Mikrostrukturen auf 3D-Tragflächen in einem Ein-Schritt-Ver- fahren erzeugt werden. Das Ergebnis: Teile des anhaftenden Eises können sich unter bestimmten Vereisungsbedingungen von selbst lösen, sodass eine 20 Prozent geringere Heizleis- tung für den aktiven Eisschutz ausreicht. Dies eröffnet zahl- reiche Vorteile: Es sind beim Start weniger umweltschädliche Enteisungsmittel erforderlich, die Wartezeit für die Fluggäste während der Enteisung reduziert sich und der Energie- so- wie der Treibstoffverbrauch im Flugbetrieb sinken ebenso wie das Fluggewicht. »Mit herkömmlichen Technologien ist eine Kombination der beiden Effekte aktuell nicht möglich«, betont Kunze. Härtetest im Windkanal Um diesen Kombi-Effekt zu erzielen, waren systematische Prozessentwicklungen und viele Tests in den Laboren von Airbus erforderlich. Im Windkanal des Flugzeugherstellers in Ottobrunn bei München wurde der Demonstrator – ein mit der DLIP-Technologie strukturiertes, komplex geformtes NACA-Profil – unter realen Bedingungen bei Windgeschwin- digkeiten zwischen 65 bis 120 m/s, Lufttemperaturen unter Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 47 minus zehn Grad Celsius und verschiedenen Feuchtewerten geprüft. Das Resultat der Experimente: Auf dem unstrukturierten Profil verschwindet das Eis bei einer Heizleistung von 60 Watt erst nach 70 Sekunden, auf dem strukturierten Pendant hinge- geben bildet es sich bereits nach fünf Sekunden vollständig zurück – bei gleicher Heizleistung. »Mit unserem DLIP-Ansatz realisierten wir erstmals multiskalige biomimetische Oberflä- chen mit Mikrometerauflösung auf einem komplexen Bauteil wie dem NACA-Profil. Wir konnten die konkreten Vorzüge ge- genüber anderen Laserverfahren zeigen«, so Tim Kunze. Sein Kollege Sabri Alamri ergänzt: »Die wasserabweisende Struktur ist ein Versuch, herkömmliche Technologien durch umwelt- schonende, kostengünstigere Alternativen zu ersetzen.« Reale Flugtests mit einem A350, an dem eine per DLIP bearbeitete Oberfläche angebracht wurde, sind bereits gestartet. »Die wasser- abweisende Struktur ist ein Versuch, herkömmliche Technologien durch umwelt- schonende, kostengünsti- gere Alter- nativen zu ersetzen.« Sabri Alamri, Fraunhofer IWS Das NACA-Profil mit der wasserabweisenden strukturierten Oberfläche. © Airbus Direct Laser Interference Patterning (DLIP) Die Grundlage des Interferenzeffekts ist schon aus dem Physikunterricht bekannt: Ein Lichtstrahl, der einen Dop- pelspalt passiert, bildet bei Überlagerung ein periodisches Muster aus hellen und dunklen Linien – sogenannte Inter- ferenzmuster. Die Experten vom Fraunhofer IWS erzeugen das Muster auf anderen Wegen – gleich bleibt aber, dass Licht beim Direkten Laserinterferenzstrukturieren (engl.: Direct Laser Interference Patterning) überlagert werden muss. Das Verfahren eignet sich zum Herstellen von nano- und mikrometergroßen Strukturen und ermöglicht gezielte Oberflächentopographien für eine Vielzahl von Anwen- dungen. Ein kohärenter Laserstrahl wird in zwei oder mehr Strahlen geteilt und auf der Oberfläche des Bauteils kontrolliert überlagert. Der aus der Überlagerung resul- tierende Interferenzeffekt – die »periodische Modulation der Laserintensität« – erlaubt das Aufbringen definierter Strukturen auf 2D- und 3D-Bauteilen.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 49 Blinder Text Titelzeile 9 x 43 x 2 x 9 Hauptlautsprecher Klangquelle Nr. 1: 3-Wege- Koaxial-Lautsprecher RL 901k der Firma Geithain, 1960 gegründet und Lieferant der Studiomo- nitore für den damaligen DDR-Rundfunk 43 Lautsprecher Die aktiven Nahfeldmo- nitore BM6A mk II der Firma Dynaudio sind entlang der oberen Ringtraverse angebracht. Sie übertragen von 48 bis 21 000HZ. 2 Subwoofer Auch für den Bass sind Geithain-Modelle instal- liert. »Voll aufgedreht wackelt zwar nicht unser Labor«, sagt Dr. Scuda, »dafür wehen die Hosenbeine.« Das perfekte Wohnzimmer? Eine runde Sache – zumindest für den perfektionistischen Musik- und Kinofreund. Dank der Ringtraversen sind alle Klangquellen gleich weit vom Hörplatz entfernt angebracht. Die Lautsprecher lassen sich vom Steuerraum »Strawinsky« (unten) in allen Variati- onen kombinieren, um jeder Höranforderung gerecht zu werden. 360° 3D-Rundgang durchs Hörlabor »Mozart« https://s.fhg.de/iis360 Am Mischpult: Dr. Andreas Silzle, Haupt- planer der Schalllabore © Infografik: 2issue, Quelle: Fraunhofer

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 51 Auch bei einer Brust- krebspatientin ohne sichtbare Metastasen können bis zu 20 000 gestreute Krebszellen im Knochenmark vorkommen. schen Untersuchung von Lymphknoten gewonnen werden, die während einer Tumoroperation entfernt wurden. Um zu sehen, ob der Tumor bereits gestreut hat, werden die Lymphknoten seit mehr als hundert Jahren mit dem glei- chen Verfahren begutachtet. Aus dem Gewebe werden an mehreren Stellen hauchdünne Scheiben herausgeschnitten, in denen der Pathologe nach Krebszellen sucht. »Leider wird das Gewebe zwischen den Schnittebenen nicht betrachtet«, kritisiert Klein. »Dort vorhandene Metastasen werden daher übersehen.« Gemeinsam mit dem Fraunhofer IPA und dem Fraunhofer IIS hat das Team von Christoph Klein eine Methode entwickelt, mit der sich der gesamte Lymphknoten analysieren lässt. Zur Probenvorbereitung dient ein Tissue Grinder, ein Gewebezer- kleinerer, der die Zellen schonend separiert. Danach wird die Probe mit einem speziellen Farbstoff behandelt, der die ge- streuten Tumorzellen anfärbt. Zwei Millionen Lymphknoten- Zellen werden automatisch gescannt. Unter dem Mikroskop erfolgt dann die Begutachtung der verdächtigen Objekte. »Mit unserer Methode haben wir bei der Hälfte der unter- suchten Lymphknoten Tumorzellen nachgewiesen«, berichtet Bernhard Polzer. »Mit dem klassischen Verfahren konnten die Pathologen dagegen nur in 15 bis 20 Prozent der Proben Krebszellen finden.« Zurzeit wird das Verfahren für den Markt entwickelt. Gestreute Tumorzellen verändern sich Hat Bernhard Polzer unter dem Mikroskop einzelne ge- streute Tumorzellen isoliert, geht er mit der Probe in den Raum nebenan. Hier stehen DNA-Sequenzierer der neuesten Generation. Doch selbst für diese modernen Maschinen ist die DNA-Menge einer Einzelzelle zu wenig, um ein verlässliches Ergebnis zu liefern. Vor der Analyse muss Polzer daher die DNA der Zelle vervielfältigen. Dazu benutzt er eine Methode, die Christoph Klein bereits 1999 entwickelte – eine wichtige Pionierarbeit, die die Analyse von Einzelzellen erst möglich machte und heute weltweit als Standardverfahren etabliert ist. Bei der genetischen Analyse lässt sich zum Beispiel erken- nen, ob die gestreuten Tumorzellen die gleichen Eigenschaf- ten haben wie der Primärtumor und daher auf die gleiche Behandlung ansprechen könnten. Oft ist das aber nicht der Fall. Die gestreuten Zellen verändern sich, wenn sie längere Zeit in einem fremden Gewebe leben. »Wenn Brustkrebszel- len im Knochenmark liegen, können sie die Eigenschaften der sie umgebenden blutbildenden Zellen annehmen«, berichtet Christoph Klein. »Offenkundig passen die Zellen sich an ihre Umgebung an.« In ihrem neuen Umfeld können die ge- streuten Zellen aber auch neue Krebsgene aktivieren. Dann werden sie immer aggressiver und gefährlicher. Wenn die genetische Analyse ergibt, dass sich die gestreu- ten Tumorzellen verändert haben, müssen sie mit anderen Mitteln bekämpft werden als der Primärtumor. Wie sich für jede Patientin und jeden Patienten das geeignete Medika- ment finden lässt, wird von Polzer und Klein gerade erforscht. Ausgangspunkt ist eine Technologie, die bereits bei großen Zellzahlen funktioniert und jetzt für Einzelzellen adaptiert wird. Analysiert werden dabei 450 krebstypische Mutatio- nen, für die es bereits Medikamente auf dem Markt oder in klinischen Studien gibt. Bernhard Polzer hat das Ziel klar vor Augen: »Wir wollen aus Lymphknoten oder Knochenmark die gestreuten Tumorzellen isolieren und sie auf die 450 Mutationen unter- suchen. Dann könnten wir mit dem geeigneten Medikament die Bildung von Metastasen verhindern.« Damit dieses Ziel er- reicht wird, arbeiten die Regensburger Forscher mit verschie- denen Firmen zusammen, die diese innovative Diagnostik in den klinischen Alltag transferieren wollen. Um zu ermitteln, welches Medikament gegen die Metastasen eines Patienten wirkt, nutzt das Regensburger Team auch klassische Methoden. Dazu werden die Tumorzellen auf ei- nem Nährboden vermehrt. Darauf wachsen sie zu kugeligen Gebilden, sogenannten Organoiden, heran. An diesen Zellen lassen sich dann direkt im Labor die verschiedenen infrage kommenden Wirkstoffe testen. In Zusammenarbeit mit dem Regensburger Klinikum soll auf diese Weise in Zukunft vielen Patienten geholfen werden. Was macht eine Zelle zur Killerin? Wenn Bernhard Polzer eine blau gefärbte gestreute Tumorzelle aufsaugt, fragt er sich oft: Hätte diese Zelle das Potenzial gehabt, die Patientin zu töten? Oder hätte sie weiter geschla- fen und keinen Schaden angerichtet? Denn längst nicht jede gestreute Zelle bildet auch Metastasen. Christoph Klein hat ausgerechnet, dass bei einer Brustkrebspatientin, die noch keine sichtbaren Metastasen hat, 10 000 bis 20 000 gestreu- te Krebszellen im Knochenmark vorkommen können. Nur ein paar davon haben das Potenzial, eine Metastase zu bilden. Aber was sind die Eigenschaften, die sie dazu befähigen? Überlistet sie das Immunsystem? Hat sie aggressive Krebs- gene aktiviert? Was macht sie zu einer mörderischen Zelle? Um hier eine Antwort zu finden, hat Christoph Klein in Zusam- menarbeit mit mehreren Kliniken eine Studie mit 200 Brust- krebspatientinnen gestartet. Von diesen Patientinnen unter- sucht sein Team den Primärtumor, gestreute Tumorzellen und Metastasen. In jeder untersuchten Zelle werden alle von der Zelle aktivierten Gene analysiert. Diese Daten werden dann mit dem klinischen Verlauf der Patientinnen korreliert. Eine riesige Datenmenge, die das Bioinformatik-Team der Forschungsgrup- pe strukturiert. »Wir suchen in den Tumorzellen nach Markern, die mit einer schlechten Prognose für die Patientin assoziiert sind«, erklärt Christoph Klein. Ende des Jahres werden die gesamten Ergebnisse der Studie vorliegen. Und einen Hinweis darauf geben, was eine Zelle zur Killerin macht.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 53 erklärt der wissenschaftliche Projektleiter Gregor Bussmann, stellvetretender Leiter der Abteilung Speicher und Unterta- gesysteme an der Fraunhofer IEG. »Mit dieser Wärmemenge könnte man rund 1000 Einfamilienhäuser beheizen.« Damit ist dieses Grubenwasserprojekt mit Abstand das größte seiner Art in Deutschland. In einigen kleinen Vorhaben wurde das Prinzip bereits erprobt, zum Beispiel in Bochum, wo die Stadtwerke mit warmem Wasser aus der Zeche Robert Müser zwei Schulen und die Bochumer Feuerhauptwache beheizen. Hunderte von Lageplänen wurden zum digitalen 3D-Modell Für die Planungen mussten Gregor Bussmann und sein Team erst einmal die Verhältnisse unter Tage analysieren. Dafür konnten sie auf Karten zurückgreifen, die die Markscheider seit der Eröffnung der Zeche im Jahr 1859 gezeichnet hatten und die heute bei der Bergbehörde in Dortmund archiviert sind. »Wir haben Hunderte von Lageplänen und Karten ausgewertet und in ein digitales 3D-Modell überführt«, berichtet Bussmann. In diesem Modell konnte Bussmann sehen, wo die senkrech- ten Schächte und die waagrechten Röhrensysteme, die soge- nannten Strecken, exakt liegen. Das unterirdische Gebäude besteht aus acht Stockwerken – den Sohlen. In der tiefsten Sohle, die mehr als 800 Meter unter der Oberfläche liegt, rechnen die Wissenschaftler mit einer Wassertemperatur von mindestens 35 Grad Celsius. Um dieses zu fördern, musste zuerst nach einer geeigneten Stelle für die Bohrung gesucht werden. 200 ehemalige Bergwerke - und die meisten ließen sich als thermische Speicher nutzen! Mehr als 60 Jahre ruhte die Kohlenzeche Dannenbaum. 1958 hatte der letzte Kum- pel das Bergwerk verlassen. © Johann Schmidt/ Fotoarchiv Ruhr Museum Der Dornröschenschlaf dauerte mehr als 60 Jahre. 1957 waren in der Kohlenzeche Dannenbaum noch 239 500 Tonnen Steinkohle abgebaut worden. 1958 verließ der letzte Kumpel das Bergwerk. Die Schächte wurden verfüllt, die untertägige Bergwerksinfrastruktur steht mittlerweile unter Wasser. 800 Meter darüber drehte sich die Welt weiter. Auf dem ehemaligen Zechengelände baute Opel ein riesiges Automobilwerk und schloss es wieder. Jetzt erlebt das Areal seine zweite Metamorphose, hin zu einem Industrie- und Technologiecampus, auf dem einmal 6000 Menschen arbeiten werden – und die alte Kohlenzeche soll eine ganz aktuelle Rolle übernehmen. Die Rolle des Prinzen, der Dannenbaum wachküsst, über- nehmen die Stadtwerke Bochum und die neue Fraunhofer- Einrichtung für Energieinfrastruktur und Geothermie (IEG). Gemeinsam wollen sie das geflutete Bergwerk nutzen, um den Technologiecampus mit Energie zu versorgen. Im Winter wird aus 800 Metern Tiefe 35 Grad warmes Wasser zum Heizen gefördert. Im Sommer sorgt 18 Grad kaltes Wasser aus 300 Metern Tiefe für Kühlung. Umweltfreundliche Alternative für die gesamte Region Für Prof. Rolf Bracke, Leiter der Fraunhofer IEG, könnte dieses Projekt Vorbildfunktion für das gesamte Ruhrgebiet haben: »Unter großen Teilen des Ruhrgebiets befinden sich die Inf- rastrukturen von rund 200 ehemaligen Bergwerken mit zum Teil über 50 Quadratkilometern Ausdehnung und über 1000 Metern Tiefe. Die meisten sind mit Wasser gefüllt und ließen sich als thermische Speicher für industrielle oder energiewirt- schaftliche Abwärme nutzen.« Die Energie aus dem Gruben- wasser könnte auch eine umweltfreundliche Alternative für die Versorgung der großen Fernwärmenetze in der Region sein. Denn bislang werden die meisten Fernwärmenetze noch durch die Abwärme von Erdgas- und Kohlekraftwerken gespeist. Der Name des neuen Technologiecampus ist genauso kreativ wie seine Energieversorgung. MARK 51°7 heißt das Areal des ehemaligen Opelgeländes jetzt, benannt nach seiner geografischen Lage bei 51° nördlicher Breite und 7° östlicher Länge. Rund die Hälfte der 70 Hektar großen Fläche soll mit Energie aus Grubenwasser versorgt werden. In diesem Bereich werden sich Technologieunternehmen ansiedeln, dazu Forschungsinstitute der Max-Planck-Gesellschaft und der Ruhr-Universität. »Nach dem aktuellen Stand der Berechnungen gehen wir davon aus, dass bis zu 85 Prozent des Wärme- und Kältebe- darfs der angeschlossenen Abnehmer durch das natürliche Energiepotenzial des Grubenwassers gedeckt werden kann«,

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 55 Besprechung in der Energiezentrale, die das Geothermiezentrum mit Erdwärme versorgt: Prof. Rolf Bracke (r.) und Gregor Bussmann. © Sascha Kreklau / Fraunhofer Was nicht einfach war, denn durch die Bohrung wollte man keinesfalls befestigte Strecken in den darüber liegenden Sohlen beschädigen. Jetzt steht die Planung, im Frühsommer 2021 wird mit der Bohrung begonnen. Im Sommer wird der Kreislauf umgekehrt Wenn alles fertig ist, können pro Stunde bis zu 70 Kubikme- ter warmes Wasser gefördert werden. Dieses warme Wasser gibt seine Energie über einen Plattenwärmetauscher und Wärmepumpen an den Heizkreislauf des Wärmenetzes ab und wird dadurch auf rund 18 Grad abgekühlt. Dann wird es durch ein zweites Bohrloch in die vierte Sohle in 300 Metern Tiefe in das Bergwerk zurückgeführt. Im Heizkreislauf bringen die Wärmepumpen das Wasser dann auf eine Vorlauftempe- ratur von 48 Grad. Im Sommer wird der Kreislauf umgedreht. Das kühle Wasser aus der vierten Sohle wird mittels Kältemaschinen weiter auf die Nutztemperatur des Kältenetzes von 10 Grad abgekühlt. Die bei der Kälteproduktion entstehende Abwärme wird da- bei in die achte Sohle injiziert. So wird das Wärmereservoir in 800 Metern Tiefe wieder regeneriert. Und der nächste Winter kann kommen. Für die Genehmigung durch die Behörden musste die Fraunhofer IEG umfangreiche Untersuchungen zu möglichen Folgeschäden vorlegen. Darin konnte ausgeschlossen wer- den, dass sich der Untergrund durch die Pumpbewegungen hebt oder senkt. Es sind auch keine negativen Auswirkungen auf die Wasserqualität zu befürchten. »Da wir das Wasser in einem geschlossenen Kreislauf führen, kann es nicht ver- schmutzt werden«, verdeutlicht Bussmann. »Außerdem liegen wir weit außerhalb von Trinkwassergewinnungs gebieten.« Der Leiter der Fraunhofer IEG sieht in den stillgelegten Bergwerken zwischen Aachen und Hamm auf lange Sicht ein noch größeres Potenzial. Er möchte sie als Wärmespeicher nutzen. Wie das funktionieren könnte, will er im EU-Projekt »Heatstore« erproben – mit einer Kleinzeche, die direkt unter dem Campus der Fraunhofer IEG liegt. »Wir wollen das Grubenwasser im Sommer mit einer hocheffizienten Solar- anlage auf 60 bis 70 Grad erwärmen. Im Winter werden wir dieses Wasser mittels einer Hochtemperatur-Wärmepumpe dann auf 100 bis 110 Grad erhitzen und in das bisher von fossilen Brennstoffen befeuerte Fernwärmenetz Bochum-Süd einspeisen«, betont Rolf Bracke. »Die alten Zechen in ehemali- gen Bergbauregionen können nach dem Kohleausstieg einen wichtigen Beitrag zur Transformation der Fernwärmesysteme leisten.« Bis zu 70 Kubikmeter Wasser speisen ihre Energie ein - pro Stunde.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 57 Prof. Heidemarie Schmidt und Prof. Stefan Schulz ver- sprechen sich Großes von den winzigen Memristo- ren. © Cornelia Schubert Kleines Ding, große Chancen Memristoren ermöglichen eine Arbeitsweise, die der von Synapsen im menschlichen Gehirn ähnelt - eine Hoffnung für KI-Anwendungen! Text: Mehmet Toprak Memristor ist ein Kunstwort, das sich aus Memory und Resistor zusammensetzt. Gemeint ist ein elektronisches Bauelement, das Daten zugleich verarbeiten und speichern kann. Es ist sehr kompakt, schnell und energieeffizient. Eine nützliche Komponente aus der Ingenieurskiste. Eigentlich kein großes Ding. Könnte man denken. Spule und Widerstand. Der Kondensator speichert elektri- sche Ladung, die Spule induziert Spannung, der Widerstand begrenzt oder teilt den Strom. Der Transistor gehört nicht in diese Reihe, er ist ein aktives Bauelement. Der Wissenschaft- ler Leon Ong Chua von der kalifornischen Universität Berkeley postulierte 1971, dass neben Kondensator, Spule und Wider- stand ein viertes Bauelement existieren müsse. Ein Bauteil, das die Funktionen der anderen miteinander kombinieren könne. Er gab ihm den Namen Memristor. Am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS ist man da ganz anderer Meinung. Prof. Heidemarie Schmidt ist Leiterin des ATTRACT-Projekts BFO4ICT (»Entwicklung einer Gesamttechnologie für die modulare Integration neuartiger elektronischer Bauelemente in mikroelektronische CMOS- Hybride«). Sie arbeitet mit ihrem fünfköpfigen Team seit 2016 an der Technologieentwicklung zur industrietauglichen Herstellung von Memristoren auf der Basis von Bismut- Eisenoxid (BFO). Dem ENAS-Team ist die praxisnahe Fertigung solcher Bauteile gelungen. Nicht nur deshalb glaubt Schmidt an die große Zukunft der Memristoren und spricht von Anwen- dungsszenarien wie Künstliche Intelligenz und Kryptographie. Einzigartiges Bauteil Ein Abstecher in die Grundlagen erklärt, warum diese Komponente so interessant sein kann. Die Elektrotechnik kennt drei grundlegende passive Bauelemente: Kondensator, Damit war die Jagd eröffnet auf ein geeignetes Mem- ristormaterial. Erst 2007 gelang es Forschern, im Hewlett- Packard-Labor den ersten Memristor auf der Basis von Titanoxid zu bauen. Ein früher Prototyp und der Beweis, dass es ihn geben kann. Die Eigenschaft, die dieses Bauteil so einzigartig macht, ist der variable Widerstand. Dessen Wert ist abhängig vom Stromfluss, genauer gesagt der elektrischen Ladung, die beim Anlegen einer elektrischen Spannung durch das Bauteil fließt. Nach dem Abschalten der elektrischen Spannung bleibt der zu diesem Zeitpunkt erreichte Widerstandswert erhalten. Weil der Widerstand mittels Veränderungen an Stromfluss und Spannung regulierbar ist und nach dem Ausschalten nicht verloren geht, können die Bauteile für Datenspeicherung und Rechenoperationen genutzt werden. Das wäre ideal für die Hardware-Kryptographie, also das Generieren von Schlüsseln direkt in der elektronischen Komponente. »Der Memristor hat das Zeug, der Entwick- lung von KI in ganz Europa einen Schub zu geben.« Prof. Stefan Schulz

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 59 »Damit lassen sich KI-Anwendungen zertifizieren - eine ent- scheidende Voraussetzung für den Praxis- einsatz.« Prof. Heidemarie Schmidt Wegen winziger Fertigungsschwankungen hat jedes Bauteil seinen eigenen variablen Widerstand. Es lässt sich damit zur Erzeugung eines individuellen Schlüssels einsetzen, Fachleute sprechen von »Physically Unclonable Functions«. Beispielswei- se könnte eine Sprachnachricht, die man ins Handy spricht, direkt nach dem Mikrofoneingang verschlüsselt werden. Künstliche Intelligenz im Schaltkreis Ein noch bedeutenderes Anwendungsszenario sieht Hei- demarie Schmidt aber im sogenannten neuromorphen Rechnen, bei dem die Datenverarbeitung und -speicherung an einem Ort erfolgt. Die besonderen Qualitäten des Mem- ristors, dessen Widerstandswert zwischen null und eins belie- big, das heißt analog, variierbar ist, ermöglichen nämlich eine Arbeitsweise, die der von Synapsen im menschlichen Gehirn gleicht. Darüber hinaus lässt sich im BFO-Memristor jede der 16 möglichen zweiwertigen Logikfunktionen implementieren, wobei deren Ausgangssignale auch wieder zwischen null und eins variierbar sind. Hinzu kommt, dass der BFO-Memristor jederzeit in eine der 16 Logikfunktionen rekonfigurierbar ist. Schmidt verweist auf einen entscheidenden Vorteil: »Da die Logikfunktionen mit den Memristoren definiert und rekon- figurierbar sind, sind auch die Algorithmen zum Trainieren von KI-Schaltungen beherrschbar und transparent.« Das ist der springende Punkt: »Damit lassen sich KI-Anwendungen zertifizieren. Bei heiklen Szenarien im Bereich Sicherheit oder beim autonomen Fahren von Autos ist das eine entscheiden- de Voraussetzung für den Praxiseinsatz«, sagt Schmidt. Memristor für Next Generation Computing Prof. Stefan Schulz ist Leiter der Abteilung Nano Device Technologies am Fraunhofer ENAS, wo das ATTRACT-Projekt BFO4ICT angesiedelt ist. Die Arbeiten im ATTRACT-Projekt sollen die Initiative »Next Generation Computing« voran- bringen, eins der Forschungsfelder, die bei Fraunhofer als strategisch bedeutsam gelten. Schulz sagt: »Die Memristor- Technologie ist eine disruptive Technologie mit enormen Vorteilen. Hier müssen wir dranbleiben und die Ausdauer haben, auch einige Jahre zu warten, bis die Technologie wirklich marktreif ist.« Heidemarie Schmidt arbeitet seit 13 Jahren an dem Thema. Die Aufgabe ist anspruchsvoll. Es erfordert beispielsweise hochentwickelte Dünnfilmtechnologien, geeignete Reinräu- me und reproduzierbare Rezepte zur Herstellung der BFO- Memristoren in der Produktion. Dabei setzt das Fraunhofer ENAS auf die Zusammenarbeit mit den Forscherinnen und Forschern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf sowie der TU Chemnitz. Die Herausforderungen haben Schmidt und ihr Team gut bewältigt. Tatsächlich ist mehr gelungen, als nur erste Prototypen oder Demonstratoren vorzustellen. Die For- scher können inzwischen Memristoren auf Wafern fertigen. Wafer, das sind die weniger als einen Millimeter dicken Silizium-Scheiben, die bei der Produktion als Grundplatte der mikroelektronischen Bauelemente dienen. Je größer ein Wafer, desto mehr Bauelemente können damit produziert werden. Im Reinraum des Fraunhofer ENAS sind Wafer mit einem Durchmesser von 200 Millimetern im Einsatz. »Das war technologisch ein hohes Risiko, denn man weiß vorher nie genau, ob die Herstellungsverfahren im Nanometerbe- reich tatsächlich funktionieren«, bemerkt Schulz. Dass es klappt, haben die Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher inzwischen bewiesen. Und zwar auf Maschinen, die auch in der realen Fabrikhalle genutzt werden können. Clevere Wahl des Materials Ein Meilenstein für den Erfolg des Projekts war die Wahl des Memristor- und Elektroden-Materials. Während früher oft Titandioxid als Memristor-Material und Edelmetalle wie Platin oder Silber als Elektroden-Material zum Einsatz kamen, nutzt das Fraunhofer-Team Bismut-Eisenoxid (BFO), ein ternäres Oxid (aus drei Elementen bestehend), dessen chemische Zusammensetzung von den Forschenden modifiziert wurde. Wie genau, bleibt Betriebsgeheimnis. Im Endergebnis führt es dazu, dass sich die Schaltgeschwindigkeit der BFO-Memristo- ren von Millisekunden auf Nanosekunden verkürzt und dass BFO-Memristoren analoge Datenverarbeitung und -speiche- rung an einem Ort ausführen können. Die Chancen stehen also gut, dass Memristoren in einigen Jahren KI-Anwendungen und der Hardware-Verschlüsselung einen Fortschritt bescheren. Damit werden auch Anwendun- gen in der Gesundheitsbranche denkbar. Der Arzt oder die Ärztin mit Tablet in der Hand könnte die Blutwerte direkt am Krankenbett mithilfe des Memristor-getriebenen KI-Moduls analysieren und auswerten lassen. Diagnose und Patienten- daten würden das Gerät verschlüsselt verlassen, bevor sie via WLAN auf den Klinikservern landen. Auch Privatanwender dürfen hoffen. So könnten Programme wie Spracherkennung oder Übersetzung auf dem Smartphone, die heutzutage auf einem Cloud-Server abgearbeitet werden, direkt im Gerät erfolgen. Die wichtigste Neuerung ist aber sicherlich die Zertifizierbarkeit komplexer KI-Szenarien, etwa beim autonomen Fahren oder in der industriellen Produktion. Stefan Schulz hat dabei die wirtschaftliche Entwicklung in Europa im Blick: »Der Memristor hat das Zeug, der Entwick- lung von Künstlicher Intelligenz in ganz Europa einen Schub zu geben.«

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 61 Ausweg aus der Antibiotikakrise Bakteriophagen infizieren Bakterien und töten sie ab. Schon vor 100 Jahren heilte man mit ihrer Hilfe schwere Infektionen. Jetzt erlebt die Phagentherapie eine Renaissance — im Kampf gegen multiresistente Bakterien. Text: Christine Broll Etwa 2 400 Todesopfer fordern antibiotikaresistente Erreger in Deutschland im Jahr. Das Fraunhofer ITEM forscht an Gegenmitteln. © Fraunhofer ITEM Seit Holger Ziehr vor über zwanzig Jahren eine BBC- Dokumentation über die Phagentherapie sah, lässt ihn das Thema nicht mehr los. Seit dieser Zeit arbeitet er daran, Phagen für den Kampf gegen antibiotikaresistente Keime einzusetzen. Doch lange fand er nur wenig Mitstreiter. Forschungsanträge wurden belächelt und abgelehnt. Unter- nehmen winkten ab, als es darum ging, Prüfarzneimittel für klinische Studien herzustellen. Erst als immer mehr Bakterien gegen Antibiotika resistent wurden und Pharmafirmen die Suche nach neuen antibakteriellen Wirkstoffen einstellten, zahlte sich seine Beharrlichkeit aus. Heute ist Prof. Holger Ziehr ein äußerst gefragter Experte für die Phagentherapie. Der Bereichsleiter am Fraunhofer- Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM in Braunschweig entwickelt eine Plattformtechnologie zur Produktion von pharmazeutisch einsetzbaren Phagen. Parallel dazu etabliert er mit den Zulassungsbehörden einen Muster- prozess, nach dem Phagen in Deutschland als therapeutischer Wirkstoff zugelassen werden können. Er sieht die Phagen als wichtigen neuen Baustein in der Therapie: »Wir wollen die Antibiotika nicht ersetzen. Phagen sollen dort zum Einsatz kommen, wo Antibiotika an ihre Grenzen stoßen.« Entdeckt wurde die Phagentherapie schon vor den Antibiotika. Es war im Jahr 1917, als der franko-kanadische Mikrobiologe Félix d’Hérelle mit Erregern der Bakterienruhr arbeitete, die er bei erkrankten Soldaten isoliert hatte. Auf den Bakterienrasen, die er in Schalen züchtete, entdeckte er immer wieder kleine Löcher, die sich mit der Zeit ausbreite- ten. Weitere Versuche zeigten, dass in den Löchern winzige Mikroben lebten, die die Bakterien auffraßen. Diese bislang unentdeckten Mikroben nannte er Bakteriophagen: Bakterienfresser. 30 000 bis 35 000 Menschen pro Jahr infizieren sich in Deutschland mit multi- resistenten Erregern.

© Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Coliphagen, Leibniz-Institut DSMZ 1 Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 63 Phagen Bakteriophagen sind Viren, die ausschließlich Bakterien infizieren. Sie können sich nicht auf tierischen und menschlichen Zellen vermehren. Daher sind sie für den Menschen ungefährlich. Es gibt mehr Phagen auf der Erde als alle anderen Organismen zusammen. Phagen kommen überall dort vor, wo auch Bakterien leben, also auch in der menschlichen Darmflora und auf der Haut. Global gesehen tragen sie wesentlich zur Regulation des Bakterienvorkommens bei. Der Kopf eines Phagen hat die Form eines Ikosa- eders, einer Art Würfel mit 20 Flächen und 12 Ecken. Er enthält das genetische Material und sitzt auf einem langen Schwanz. Mit den Schwanzfa- sern, die die Form von Spinnenbeinen haben, heftet sich der Phage an seine Wirtszelle. Bakteriophagen können sich nicht selbst vermehren. Sie benutzen dafür Bakterienzellen. Jede Phagenart ist auf einen bestimmten Stamm von Bakterien spezialisiert. Der Phage erkennt den geeigneten Wirt an speziel- len Rezeptoren auf dessen Oberfläche. Die Bakte- rien-Rezeptoren und die Phagen-Schwanzfasern müssen wie Schlüssel und Schloss zusammenpas- sen, damit der Phage das Bakterium infizieren kann. Nachdem sich der Phage an das Bakterium ange- heftet hat (1), injiziert er das Erbgut aus seinem Kopf in die Zelle (2). Das Bakterium beginnt dann mit der Produktion von Phagenbestandteilen (3). Anschließend werden die Phagen zusammenge- baut und freigesetzt (4). Aus einem Bakterium können 50 bis 100 neue Phagen entstehen. 2 4 3 Grafik © Vierthaler und Braun Bereits 1919 behandelte Félix d’Hérelle den ersten Ruhr-Pa- tienten erfolgreich mit einer Phagenlösung. Gemeinsam mit seinem Freund Georgi Eliava gründete er 1936 in Tiflis/Geor- gien das Eliava-Institut für Phagenforschung, das zur Keimzel- le für die Verbreitung der Phagentherapie in der Sowjetunion wurde. Im Zweiten Weltkrieg wurden die Soldaten der Roten Armee erfolgreich mit Phagen therapiert. Später verfeinerten sowjetische Forscher die Methoden immer weiter. Nach dem Zusammenbruch der Sowjetunion geriet das alte Wissen über die Phagentherapie aber in Vergessenheit. Hilfe für Mukoviszidose-Patienten Genau hundert Jahre nach Entdeckung der Bakteriophagen startete Holger Ziehr mit zwei Partnern das Projekt Phage- 4cure, das vom Bundesforschungsministerium gefördert wird. Ziel ist die Entwicklung eines auf Phagen basierenden Medikaments für Mukoviszidose-Patienten. Menschen mit dieser genetischen Erkrankung haben in ihren Lungen einen zähen Schleim, der ein idealer Nährboden für Bakterien ist. Zu diesen Bakterien gehört auch Pseudomonas aeruginosa, das mittlerweile gegen die meisten Antibiotika resistent ist. Die Phagen, die im Projekt verwendet werden, stammen aus der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkul- turen DSMZ in Braunschweig. In der Sammlung befinden sich auch viele Phagen, die für antibiotikaresistente Bakterien spe- zifisch sind. Isoliert wurden sie unter anderem aus Abwässern von Kliniken und kommunalen Kläranlagen. An mehr als 130 klinischen Proben von Patienten teste- ten die Forschenden am Fraunhofer ITEM, welche Phagen am besten gegen die Pseudomonas-Bakterien wirken. »Es gibt keinen Breitband-Phagen, der alle Pseudomonas-Stämme ab- deckt«, erklärt Holger Ziehr. »Daher haben wir einen Cocktail aus drei verschiedenen Phagen gemischt.« Schon 1919 war die Phagen therapie erfolgreich — und wurde wieder vergessen.

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 65 In einer sterilen Anlage können die Phagen gleich im Fraunhofer ITEM abgefüllt und dann verschickt werden. © Fraunhofer ITEM Hergestellt werden die Phagen im zweiten Stock des Ins- tituts. Hier ist das Reich von Dr. Sarah Wienecke, die für die Phagenproduktion verantwortlich ist. Wenn sie einen neuen Ansatz startet, legt sie einen flexiblen Einweg-Plastikbehälter auf einen beheizbaren Schütteltisch, füllt ihn mit zehn Litern klarer Nährlösung und gibt Pseudomonas-Bakterien eines ungefährlichen Produktionsstammes dazu. Unter sanftem Wiegen und angenehmer Wärme wachsen die Bakterien he- ran. Wenn die Nährlösung durch die gewachsenen Bakterien eine bestimmte Trübung erreicht hat, fügt Sarah Wienecke die Phagen hinzu. Schon nach wenigen Stunden verschwindet die Trübung und die Nährlösung wird wieder klar. Die Phagen haben ganze Arbeit geleistet. Sie haben die Bakterien infiziert, sich in ihnen vermehrt und dann zum Platzen gebracht. Jetzt ist die gesamte Nährlösung voller Phagen. Dann filtriert die Biotechnologin die groben Bestandteile ab und reinigt die Phagen mit weiteren biotechnologischen Standardmetho- den. Für die Produktion der Phagen als Prüf-Arzneimittel gibt es am ITEM bereits Reinräume mit entsprechenden Anla- gen, in denen nach strengen Behördenauflagen produziert werden kann. Klinische Studien starten 2021 Dr. Sabine Wronski entwickelt dann aus den Phagen am Hauptsitz des Fraunhofer ITEM in Hannover ein Aerosol, das die Mukoviszidose-Patienten inhalieren können. Weitere präklinische Tests finden an der Berliner Charité statt, wo die Phagen an lebenden Lungengewebsschnitten getestet wer- den, die aus menschlichen Lungenteilen, zum Beispiel nach einer Tumor-Operation, gewonnen wurden. In Berlin sind für 2021 auch die ersten klinischen Studien an der Charité Research Organisation vorgesehen – zuerst an gesunden Probanden und dann an Patienten. Bei der Zulassung arbeitet das Phage4Cure-Team eng mit dem Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinproduk- te (BfArM) zusammen und betritt damit regulatorisches Neuland. Denn es gibt noch keine speziellen Vorschriften für Therapeutika, die sich wie Phagen selbst vermehren können. Als Richtschnur für das Prozedere dienen die Anforderungen an biologische Arzneimittel, wie zum Beispiel therapeutischen Antikörpern. Die bei diesem Projekt entwickelten Qualitätspa- rameter können dann als Vorlage für die Zulassung weiterer Phagentherapeutika zu klinischen Prüfungen dienen. »Die Phagen- therapie ist in Deutschland auf dem Weg zum Patienten — endlich!« Prof.Holger Ziehr Phagentherapie als Kassenleistung? Welchen Stellenwert die Phagentherapie mittlerweile hat, zeigt das Projekt PhagoFlow, bei dem es um die Behandlung von Wunden geht, die mit antibiotikaresistenten Keimen infiziert sind. Gefördert wird das Projekt vom Gemeinsa- men Bundesausschuss (G-BA), dem Gremium, das über den Leistungsanspruch aller in Deutschland gesetzlich krankenver- sicherten Menschen rechtsverbindlich entscheidet. »Professor Josef Hecken, der Vorsitzende des Gemeinsamen Bundesaus- schusses, setzte sich persönlich für PhagoFlow ein«, betont Holger Ziehr. Das Projekt soll Hinweise darauf geben, ob und wie die Phagentherapie in den Leistungskatalog der gesetzli- chen Krankenkassen übernommen werden könnte. Viele Patienten mit Schussverletzungen, deren Wunden trotz Antibiotika nicht mehr heilen, werden im Bundeswehr- krankenhaus Berlin behandelt. Bei PhagoFlow arbeitet das ITEM mit den Militärärzten zusammen. Die Auswahl geeig- neter Phagen übernimmt wieder die Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen. Das ITEM produziert die Phagen in größerem Maßstab und stellt sie der Apotheke des Bundeswehrkrankenhauses zur Verfügung. Die Apothe- ker wählen dann nach einer mikrobiologischen Analyse des Wundsekrets die für den jeweiligen Patienten passenden Pha- gen aus. Zur Behandlung wird der Phagen-Cocktail einfach in die nicht verheilende Wunde gegeben – genauso wie bei den Soldaten der Roten Armee vor über 70 Jahren –, nur sind die qualitativen Anforderung an den Cocktail heute andere. Nach den ersten Erfolgen in den öffentlich geförderten Pro- jekten ist auch das Interesse der Industrie erwacht. Der erste Großauftrag mit einer Pharmafirma ist beim ITEM bereits unter Dach und Fach. Holger Ziehr freut sich sehr über die entstandene Dynamik: »Die Phagentherapie ist in Deutsch- land auf dem Weg zum Patienten – endlich.«

Prüfstein Sicherheit Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 67 Tesla, Waymo und Uber haben selbstfahrende Autos schon über Millionen Kilometer steuern lassen. Risiken bleiben. Jetzt bietet Fraunhofer neue Lösungen im Wettrennen um intelligente Systeme fürs autonome Fahren. Text: Eva Rathgeber Fahrszenario mit der Simu- lationsplattform OCTANE. © Fraunhofer IOSB Die Hälfte aller Autofahrer wünscht sich in den nächsten fünf Jahren ein selbstfahrendes Auto. So ergab es eine Studie des Gapgemini-Research-Institutes. Fast drei Viertel zweifeln jedoch, ob sie sich einem selbstfahrenden Auto wirklich anvertrauen können. Sicherheitsbedenken sind das große Problem beim autonomen Fahren – und können die große Chance werden für die deutsche Wirtschaft, sich gegenüber Hightechfirmen aus den USA und China doch noch durch- zusetzen. Zuverlässigkeit gilt schließlich weltweit als Stärke der deutschen Ingenieurskunst. Die Fraunhofer-Gesellschaft arbeitet aktuell an einer Reihe von Lösungen für Sicherheit beim selbstfahrenden Auto. Das Wettrennen um die letzten 20 Prozent des Weges hat aus Sicht von Prof. Mario Trapp gerade erst begonnen: »In der klassischen KI hinken wir den USA und China hinter- her, aber in der Absicherung von KI sind wir in Deutschland führend«, sagt der Leiter des Fraunhofer-Instituts für Kogniti- ve Systeme IKS in München. Neben dem Schutz vor Cyberangriffen und der Ausfallsicher- heit der Bordelektronik beispielsweise mithilfe von Redundan- zen geht es den Herstellern vor allem darum, von Fahrzeugen verursachte Unfälle zu vermeiden. Die typischen Fehlerraten, wie sie bei klassischen Systemen im Auto akzeptiert werden, liegen bei der Kennzahl 10-8, das bedeutet, dass es erst bei 100 Millionen Betriebsstunden zu einem kritischen Fehler kommen darf. Ein Auto fährt ungefähr 200 bis 300 Stunden im Jahr – es dauert in der Regel also ziemlich lang, bis es zu einem Fehler kommt. Beim autonomen Fahren hingegen sind solche Werte längst nicht erreicht. »Unter guten Wetterbe- dingungen und bei guten Verkehrssituationen können wir bereits super fahren. Wenn wir diese Erfahrungen aber auf die reale Welt mit zum Beispiel Regen, Sturm oder Schnee und schwierigen, unvorhergesehenen Verkehrssituatio- nen übertragen wollen, stoßen wir derzeit noch auf große Hürden«, sagt Mario Trapp. In Expertenkreisen wird deshalb frühestens ab 2035 mit der Straßenzulassung der ersten vollautonomen Pkw gerechnet. Hinzu kommt, dass an die KI eines intelligenten Autos sehr viel höhere Ansprüche gestellt werden müssen als an einen menschlichen Fahrer oder an andere KI-Systeme wie Sprachassistenten. Der Grund ist klar: Wenn ein Sprach- assistent jemanden mehrmals falsch versteht, so ist das ärgerlich, wenn aber ein Auto einen Fahrradfahrer falsch klassifiziert, kann das tödlich enden. Konsens ist sogar, dass die KI eines autonomen Fahrzeugs in puncto Sicherheit min- destens um den Faktor 10 besser sein sollte als der durch- schnittliche menschliche Fahrer. Angesichts der Tatsache, dass 90 Prozent aller Verkehrsunfälle auf menschlichem Versagen beruhen, hat KI also durchaus Potenzial, Straßen sicherer zu machen. Fünf Komponenten für ganzheitliche Sicherheit Unter dem Schlagwort »Safe Intelligence« arbeitet das Fraun- hofer IKS an Lösungen, um die Sicherheit von KI in autono- men Autos zu garantieren und nachzuweisen. Dabei geht es den Software-Ingenieuren darum, zwei an sich wider- sprüchliche Welten zu vereinen: den kreativen Gestaltungs- freiraum intelligenter Softwareentwicklung und die restrikti- vere Welt der Sicherheit. »In der Absicherung von KI sind wir in Deutschland führend.« Prof. Mario Trapp

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 69 Ausgangspunkt dabei ist das sichere System und im Mittel- punkt steht die Frage: Wie viel KI kann da hinein? Im Fokus der Entwicklungsarbeiten stehen im Wesentlichen drei Aspek- te: Erstens – es dürfen keine Menschen zu Schaden kommen. Zweitens – ein Auto, das in der Garage steht, nutzt nieman- dem. Das heißt: Ein Auto muss zuverlässig funktionieren und dabei sicher sein. Drittens – die Kosten müssen stimmen. »KI lässt sich leichter für Funktionen einsetzen, die wir über- wachen können, wie beispielsweise eingeschränkte Fahrt- routen im öffentlichen Personennahverkehr oder bestimmte selektive Bereiche wie der Verkehr auf Autobahnen oder der Güterverkehr von Lkw. Sobald es aber an Herausforderungen wie Fußgängererkennung geht, so kriegt das derzeit niemand abgesichert«, sagt Mario Trapp. Die Künstliche Intelligenz wird darauf trainiert, wie Personen aussehen. Es lässt sich nur bedingt nachvollziehen, was genau die KI dabei lernt. Dabei können Merkmale wie kurze oder lange Röcke und Hosen oder gelbe Regenjacken eine Rolle spielen. Es gibt aber eine Reihe gelber Objekte, hinter denen keine Menschen stecken – und es gibt Menschen, die die KI nicht erkennen wird. Auch wenn etwas im Weg steht und der Blick eingeschränkt ist, ist die Identifikation erschwert. sich selbst in der Regel viel zu positiv ein«, weiß Maximilian Henne, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IKS. Eines dieser Verfahren heißt »Out of distribution detection« (außerhalb der Verteilung des Trainingsdatensatzes). Dabei bringt man der KI bei zu erkennen, wenn sich ein neues Beispiel konzeptionell stark von den Trainingsdaten unter- scheidet, und lässt sie den Grad der Abweichung metho- disch quantifizieren. Die zweite Ebene behandelt Fragen der Überwachung der KI als Blackbox. Hier werden spezielle Fehleranalysen durchgeführt. Ein dritter Baustein befasst sich mit Adaptive Safety Management: Hier wird an der Fähigkeit der KI gearbeitet, nicht nur das aktuelle Sicherheitsrisiko zu bewerten, sondern sich auch selbst daran anzupassen, sodass eine bestmögliche Leistung ohne eine Gefährdung der Sicherheit erreicht wird. Vierter Baustein ist das »Continuous Safety Management«: Über dieses lernt man systematisch aus Felderfahrungen, um nicht nur das Produkt schnell zu verbessern, sondern auch das nötige Wissen zur Absicherung kognitiver Systeme systematisch zu erweitern und dadurch die Safety-Prozesse zu verbessern. Nachweis über virtuelles Testen »Natürlich könnte man das System vorsichtiger auslegen und es in solchen Fällen immer sehr langsam fahren oder sogar eine Vollbremsung ausführen lassen, aber dann wird es zu vorsichtig und dann stimmen zwar die Sicherheitswerte, aber nicht die Zuverlässigkeit und nicht die Kosten«, betont Trapp. Als Antwort auf die aktuellen Ungewissheiten wurde am Fraunhofer IKS die sogenannte Vier-plus-eins-Sicherheitsarchitektur entwickelt. Dabei wird in fünf Richtungen gearbeitet: Auf der ersten Ebene geht es um die Weiterentwicklung von KI-Verfahren mit dem Ziel, der KI beizubringen, dass sie weiß, was sie nicht weiß, also ihre Unsicherheit selbst richtig erkennt. »Auf die derzeitigen Kon- fidenzwerte der KI kann man sich nicht verlassen, sie schätzt Um die Marktreife ihrer selbstfahrenden Autos nachzuwei- sen, haben insbesondere US-amerikanische Unternehmen wie Waymo, Tesla und Uber bereits Millionen Testkilometer auf amerikanischen Straßen zurückgelegt. Experten sind sich jedoch einig, dass die hohe Anzahl weltweiter Testfahrten noch lange nicht ausreicht, um die Sicherheit autonomer Fahrzeuge zu garantieren. Außerdem ist hier der logistische und zeitliche Aufwand sehr hoch, zumal bei komplexen Systemen kleine Parameteränderungen kaum überschaubare Konsequenzen bewirken und neue Testfahrten notwendig machen können. Verschiedene Fraunhofer-Institute beschäf- tigen sich deshalb damit, den Sicherheitsnachweis auch auf Grundlage virtueller Simulation zu erbringen. »KI schätzt sich selbst in der Regel viel zu positiv ein. Auf die derzeitigen Konfidenzwerte kann man sich nicht verlassen.« Maximilian Henne KI-basierte 2D-Objekterkennung mit Unsicherheitswerten. © Fraunhofer IKS

Fraunhofer. Das Magazin 1.20 - 71 die jeweiligen Bedürfnisse der Nutzer hinsichtlich Rechen- zeit, Ergebnisqualität und Bedienbarkeit angepasst werden können. Unüberwachtes Fahren funktioniert - in speziellen Situationen Noch fehlt eine offizielle Definition der Sicherheitskriterien für autonomes Fahren. Sie ist aber die Voraussetzung, damit auto- nome Fahrzeuge auf dem Markt zugelassen werden können. »Für uns wäre der Worst Case, wenn die IT-Riesen die Stan- dards setzen würden«, sagt Mario Trapp. »Sie bringen bekannt- lich neue Software auf den Markt und finden dann schrittwei- se Fehler, um sie dann nach und nach zu verbessern. Aber für Autos geht das so nicht. Da ist der Gesetz geber gefragt.« Viele Hersteller sehen das Hauptgeschäft in Level 5, also im vollautomatisierten Fahren. Die Branche ist aber erst bei Level 2-3 angekommen, am Markt sind derzeit nur teil- oder hochautomatisierte Fahrzeuge zugelassen, bei denen der Fahrer das autonome System noch überwachen und/oder Fahrzeugfunktionen selbst übernehmen muss. Zunächst wird man deshalb aus Expertensicht die vorhan- dene Erfahrung wohl eher dazu nutzen, um immer bessere Assistenzsysteme zu bauen und immer mehr Automatisierung in die Fahrzeuge hineinzubringen. In vielen anderen Einsatz- bereichen für KI, zum Beispiel in der Medizin, ist immer noch ein Mensch da, der kontrolliert. Hinsichtlich selbstfahrender Autos weiß man allerdings, dass Menschen im Notfall gar nicht in der Lage wären, innerhalb weniger Sekunden das Steuer zu übernehmen, denn sie können den Kontext nach langer Ruhepause gar nicht so schnell erfassen. In speziellen Fahrsituationen und unter bestimmten Bedin- gungen lässt sich heute schon KI-basiertes vollautonomes Fahren realisieren. Prof. Trapp: »Bei sehr eingeschränkten Funktionalitäten können wir heute schon die geforderten Fehlerraten erreichen.« Displayanzeige eines VERTEX-Versuchsfahrzeugs des Fraunhofer IOSB: Solange der Mensch die automatisierte Fahrfunktion überwachen muss, ist klare Mensch-Maschine-Kommunikation eine sicherheitsrelevante Systemfunktion. © Fraunhofer IOSB 2,7 Millionen Verkehrs- unfälle in Deutschland im Jahr 2019: »Unser Ansatz ermöglicht es, reale Unfall- situationen virtuell nach- zu spielen.« Dr. Christian Erbsmehl So entwickeln Forschende des Fraunhofer-Instituts für Verkehrs- und Infrastruktursysteme IVI im Projekt SePIA zu- sammen mit der TU Dresden und sächsischen Unternehmen eine komplexe Validierungsplattform für das hochautomati- sierte Fahren, elektronische Teilsysteme und das Gesamtfahr- zeug. Dazu werden Realfahrszenarien mit flächendeckenden Unfalldaten und Informationen aus polizeilichen Unfallgut- achten sowie aus Fahrzeug- und Videodaten herangezo- gen. »2019 gab es in Deutschland mehr als 2,7 Millionen Verkehrsunfälle; in die besonders schweren waren über- wiegend Radfahrer, Fußgänger und motorisierte Zweiräder, wie beispielsweise Motorräder und Mopeds, involviert«, sagt Dr. Christian Erbsmehl, Leiter der Gruppe Fahrzeug- und Ver- kehrssicherheit am Fraunhofer IVI in Dresden. »Unser Ansatz ermöglicht es, reale Unfallsituationen virtuell nachzustellen und verschiedene Fahrzeugsicherheitssysteme auch im Zusammenspiel auf ihre Fähigkeit zu testen, den Crash mit weniger Geschwindigkeit zu vollziehen oder den Unfall ganz zu vermeiden«, so der Forscher. Als Bewertungsmethode dient eine virtuelle Simulation, die auf einem Szenarien-Kata- log basiert. Die entwickelte Plattform wird in einer Hard- und Software-Anwendungsumgebung exemplarisch getestet und demonstriert. Auch das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB forscht zusammen mit Indus- trieunternehmen seit mehreren Jahren in den Bereichen Fahrerassistenz bis hin zum vollautomatisierten Fahren. »Das gemeinsame Ziel ist es, eine definitive Aussage über das Si- cherheitsniveau treffen zu können«, sagt Dr. Miriam Ruf vom Fraunhofer IOSB. Die Leiterin der Automotive-Forschungs- gruppe sieht eine besondere Schwierigkeit darin, dass die Fahrzeugumgebung dynamisch ist und hier immer neue Bedingungen hinzukommen, eine neue Marke von E-Rollern, eine neue Lackierung oder eine neue Regenjackenkollektion. »Wir wissen auch nicht, wie sich die Menschen in Zukunft verhalten werden, wenn immer mehr KI auf den Straßen un- terwegs sein wird«, so Ruf weiter. Die KI-Software autonomer Fahrzeuge müsste deshalb so konstruiert werden, dass sie sich auch nach der Markteinführung weiterentwickeln und an immer neue Situationen anpassen kann. Am Fraunhofer IOSB gibt es zwei Versuchsfahrzeuge, denen die Forschenden automatisiertes Fahren beibringen. Im Testfeld Autonomes Fahren Baden-Württemberg in Karlsruhe haben Unternehmen seit 2018 die Möglichkeit, ihre autonomen Fahrzeuge im realen Verkehr zu testen – das Fraunhofer IOSB übernimmt hier die Anonymisierung der Sensordaten und bietet sich als Anlaufstelle für Unternehmen und Öffentlichkeit an. Ein aktuelles Projekt ist die Simulations- plattform OCTANE, die in institutsübergreifender Koopera- tion entwickelt wird. Mit der Plattform lassen sich kritische Fahrsituationen virtuell simulieren und testen – auch schneller oder langsamer als in Echtzeit. Das Besondere des OCTANE- Konzepts ist nach Angaben von Ruf die Gestaltung als Open- Source-Plattform, deren Simulationsmodelle individuell auf