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weiter.vorn 2/2018 gesundheitsforschung in 4d weiter.vorn das fraunhofer-magazin 2 / 18 gesundheits- forschung in 4d diagnostics data energie batterien im fokus weltraum gut gerüstet ins all bioökonomie lignin – das neue erdöl drugs devices

weiter.vorn 2.18 editorial - 03 neue wege gehen die gesundheitsausgaben in deutschland haben im jahr 2016 erstmals die marke von einer milliarde euro pro tag über- schritten, berichtet das statistische bundesamt. die zahlen basieren auf einer vergleichenden länderanalyse der orga- nisation für wirtschaftliche zusammenarbeit und entwick- lung oecd von 2017. die gesundheitsausgaben wachsen hierzulande rascher als im durchschnitt aller oecd-länder, die kosten im gesundheitswesen steigen weiter und schneller als das bruttoinlandsprodukt. einerseits eine kostenbürde, ande- rerseits ein markt für kostenintelligente lösungen. hier setzen fraunhofer-forscherinnen und -forscher an. sie entwickeln in interdisziplinären teams effiziente lösungen und arbeiten an der schnellen und gezielten translation von forschungs- ergebnissen in medizinische anwendungen und therapien. bisher vergehen oft jahrzehnte, bis aus erkenntnissen der grundlagenforschung neue medikamente oder produktions- verfahren entstehen. die größte hürde dabei ist der schritt vom labor in die klinische prüfung, also die lücke zwischen der entdeckung neuer substanzen und der weiterentwicklung zu arzneimitteln durch die pharmazeutische industrie. fraunhofer ist der spezialist an der schnittstelle zwischen wissenschaft und wirtschaft und besitzt ein breit gefächertes spektrum an technologien. 45 von 72 fraunhofer-instituten arbeiten in der gesundheitsforschung an den vier themenfel- dern drugs, diagnostics, devices und data, den »4d«. mehr dazu erfahren sie in der titelgeschichte (ab seite 8). erhebliche potenziale für wertschöpfung und nachhal- tigkeit bestehen in der anwendung der biotechnologie in der medizin sowie dem verarbeitenden gewerbe und der landwirtschaft. in diesem heft stellen wir ihnen zwei projekte rund um den nachwachsenden rohstoff holz vor: lignin und andere biologische reststoffe dienen als ausgangsmaterial zur produktion wertvoller chemikalien und ersetzen so fossile rohstoffe wie erdöl (ab seite 28). bei vielen entwicklungen ist die natur unser vorbild. fraun- hofer treibt die biologische transformation voran. wir nutzen prinzipien und materialien der natur zunehmend in techni- schen systemen. mithilfe der informationstechnologie lassen prof. reimund neugebauer © fraunhofer/bernhard huber sich komplexe biologische vorgänge und strukturen auf der molekularen ebene abbilden. so entstehen nanostrukturierte werkstoffe oder auf patienten maßgeschneiderte therapeu- tika. dieser forschungsansatz bringt ein neues denken mit sich, im sinne eines ganzheitlichen, ausbalancierten mitein- anders von prozessen und materialströmen. heute sind viele prozesse nach dem min/max-prinzip organisiert: minimaler input bei maximalem output. das kann zu ungünstigen ent- wicklungen führen, etwa in der landwirtschaft, indem böden ausgebeutet und für die zukunft geschädigt werden. die natur lehrt uns jedoch, das ergebnis einzelner prozesse nicht zu maximieren, sondern ein system im sinne eines stabilen ganzen zu optimieren. wir denken: die biologische trans- formation wird sich ähnlich tiefgreifend auf wirtschaft und gesellschaft auswirken wie der digitale wandel. in diesem jahr spielen wir eine besondere rolle im deutschen wissenschaftssystem: fraunhofer ist die federführende orga- nisation der allianz der wissenschaftsorganisationen. im neu konstituierten ausschuss für bildung und forschung des 19. bundestags geben wir impulse zur wissenschaftspolitik der laufenden legislaturperiode. auch 2017 ist die fraunhofer-gesellschaft weiter gewachsen. mehr als 25 000 mitarbeitende erwirtschafteten insgesamt 2,3 milliarden euro. sie arbeiten mit begeisterung und großem engagement an ihren projekten und erzielen dabei beeindru- ckende ergebnisse. vier herausragende projekte, die wir ihnen in dieser ausgabe vorstellen (ab seite 20), würdigen wir auf un- serer jahrestagung in berlin mit besonderen auszeichnungen. ich wünsche ihnen eine anregende lektüre, ihr reimund neugebauer präsident der fraunhofer-gesellschaft

inhalt 06 spektrum 17 kompakt 37 gründerwelt 41 international 64 fraunhofer inside 66 panorama 67 personalien 67 impressum weiter.vorn 2.18 inhaltsverzeichnis - 05 titelthema gesundheitsforschung in 4d drugs, diagnostics, data und devices, die 4d sind forschungsschwerpunkte »wir können die schnittstellen in der gesundheitsforschung besetzen« interview mit prof. gerd geisslinger gesundheitsforschung augmented reality im op eine navigationshilfe erleichtert chirurgen operationen wissenschaftspreise freiform: qualitätssprung bei optischen systemen optische freiformsysteme ermöglichen völlig neue anwendungen und funktionen fraunhofer-technologie für die luft- fahrt: effizientere strahltriebwerke optimierte standfestigkeit und effizienz von flugzeugtriebwerken algorithmen für die leberchirurgie – weltweit sicherer operieren detaillierte 3d-bilder unterstützen im op xxl-computertomographie hochauflösende, kontrastreiche bilder von sehr großen objekten bioökonomie biomasse effizient nutzen holz lässt sich kostengünstig transportieren und zu wertvollen stoffen für die chemische industrie verarbeiten lignin – das neue erdöl? der nachwachsende rohstoff lignin kann in vielerlei hinsicht fossiles erdöl ersetzen die umweltsicherheit von chemikalien erhöhen interview mit prof. christoph schäfers und matthias teigeler energie batterien im fokus forschung an leistungsfähigen batterien und zukunftsfähigen konzepten 08 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 38 42 43 44 46 48 50 54 56 58 60 knappe wasserressourcen nachhaltig nutzen neue leitungen, pumpensysteme und kläranlagen in der mongolei mikroelektronik leichte und kompakte vr-brillen in der brille steckt ausgeklügeltes system- konzept und moderne designmethodik mehr prozessorleistung: doppelt kühlt besser hochleistungsprozessoren mit mikrokanälen kühlen blick ins innere photoelektronenspektrometer ermöglichen es, elektronen-basierte prozesse besser zu verstehen sicherheit forschung für die drohnenabwehr kleindrohnen sind nicht nur nützlich, sondern auch gefährlich mit der laser-lupe chemischen substanzen auf der spur medikamentenprüfung, sprengstoffdetektion oder wasserkontrolle durch infrarotes licht weltraum gut gerüstet ins all weltraummüll, ein kleinsatellit, raketentreib- stoff und viele weitere forschungsthemen produktion klug kombiniert additive und konventionelle produktions- verfahren werden kombiniert einzelstücke automatisiert lackieren weniger lack, weniger energie und kürzere produktionszeiten bietet das lackiersystem zerstörungsfrei und intelligent interview mit prof. randolf hanke die fabrik zum mitnehmen eine komplette produktionslinie steckt in einem container 62 es geht auch ohne seltene erden alternative werkstoffe für permanentmagnete

weiter.vorn 2.18 spektrum - 07 schnelldiagnose von tödlichem karpfen-virus in der fischzucht steigt die bedeutung von aquakulturen. rund die hälfte aller speisefische stammt heute aus aqua- kulturen, in denen in deutschland neben der forelle vor allem der karpfen eine entscheidende rolle spielt. für den fischereiwirtschaftlichen ertrag ist vor allem die ge- sundheit der tiere entscheidend. eine gefürchtete bedrohung für zuchtkarpfen ist das koi-herpesvirus (khv): die khv- infektion ist nicht therapierbar, daher ist es wichtig, möglichst gut vorzubeugen. wissenschaftlerinnen und wissenschaftler der fraunhofer- einrichtung für marine biotechnologie und zelltechnik emb haben jetzt zusammen mit drei partnern ein verfahren entwi- ckelt, mit dem sich das virus zuverlässiger und präziser diag- nostizieren lässt. das ist nicht nur wichtig für eine verbesserte diagnostik, sondern auch voraussetzung für die entwicklung eines gut wirksamen impfstoffs gegen khv. auto-hightech aus dem 3d-drucker seit anfang des jahres ist das frühere laser zentrum nord als fraunhofer-einrichtung für additive produktionstechnologien iapt ein teil der fraunhofer-gesellschaft. eines der vorzeige- projekte: ein im 3d-druck gefertigter bremssattel aus titan, entstanden in einer kooperation mit der bugatti engineering gmbh. wegen der extrem hohen festigkeit von titan war es bisher sehr schwierig bis oftmals unmöglich, ein solches bauteil aus einem block zu fräsen und zu bearbeiten. das iapt konnte das problem mit seinem leistungsstarken 3d-drucker lösen. der bremssattel aus titan ist 41 cm lang, 21 cm breit, 13,6 cm hoch und wiegt gerade einmal 2,9 kg – über 40 prozent weniger als der derzeit verwendete bremssattel aus aluminium bei gleichzeitig noch höherer belastungsfähig- keit. die fahrzeugversuche für den möglichen serieneinsatz sollen noch in der ersten hälfte des jahres starten. mithilfe der verbesserten diagnostik können infizierte tiere sicher identifiziert und von gesunden separiert werden. © istock dieser 3d-gefertige bremssattel soll für den bugatti chiron getestet werden. © bugatti automobiles s.a.s.

weiter.vorn 2.18 titelthema - 09 während sich dmitry amelin auf die bewegung seiner hand konzentriert, messen elektroden die muskelimpul- se, mit deren hilfe sich eine handprothese steuern lässt. © bernd müller

weiter.vorn 2.18 titelthema - 11 prophylaktisch verhindern. bei den klinischen tests arbeitet die fraunhofer-projektgruppe eng mit der hae-ambulanz des uniklinikums frankfurt zusammen. blutabnahmen nach strengem protokoll am nächsten morgen beginnt der test. studienassistentin gudrun schneckenburger legt sabine schuster zur blutabnah- me eine kanüle in die vene der linken hand und schließt sie an das ekg und das blutdruckmessgerät an. dann verabreicht der studienarzt dr. graff der patientin eine tablette des neu- en medikaments. in der ersten stunde nach einnahme der tablette nimmt die studienassistentin alle 15 minuten blut ab, dann in halb- stündlichem und später in stündlichem rhythmus. »in den blutproben messen wir, was der körper mit dem medikament macht. wie er es aufnimmt, wie es sich verteilt und wie es wieder abgebaut und ausgeschieden wird. das ist die phar- makokinetik«, verdeutlicht jochen graff. diese werte dienen dem verständnis des neuen medikaments. sie sind auch wichtig, um die dosis und das dosierungsintervall in weiteren klinischen studien festzulegen, in denen das medikament zeigen muss, dass es bei patienten mit hae auch wirklich die anfallshäufigkeit verringern kann. außerdem bestimmen die forscherinnen und forscher im blut viele verschiedene parameter und biomarker, um nebenwirkungen festzustellen. jeder einzelne handgriff der studie ist in einem studienproto- koll festgelegt, das von den arzneimittelzulassungsbehörden und einer ethikkommission genehmigt werden muss. innovative studiendesigns in der station der fraunhofer-projektgruppe finden alle phasen der frühen klinischen arzneimittelentwicklung statt, die phase 1 mit der erstanwendung am menschen genau- so wie die phase 2 mit ausgewählten patienten. außer bei krebsmedikamenten müssen phase-1-studien an gesunden probanden vorgenommen werden. dabei geht es neben der pharmakokinetik und dosisberechnung vor allem um die prüfung der sicherheit des wirkstoffs. dr. frank behrens, der die klinische forschung der projekt- gruppe leitet, macht auf die limitationen dieses vorgehens aufmerksam: »wie repräsentativ ist der 22-jährige gesunde student für die verträglichkeit und verstoffwechselung eines medikaments, das ich später bei einer 65-jährigen frau an- wenden will, die bereits mehrere vorerkrankungen hat?« frank behrens entwickelt daher mit seinem wissenschaftlichen team verschiedener disziplinen innovative studiendesigns, bei denen neue wirkstoffe gleich an patientinnen und patienten getestet werden. bei deren auswahl und den spezialtests zum nach- weis der wirksamkeit arbeitet er eng mit den fachärzten auf dem campus des frankfurter universitätsklinikums zusammen. die frankfurter projektgruppe, die zum fraunhofer-institut für molekularbiologie und angewandte oekologie ime gehört, hat sich intensiv bei der gründung des vom land hessen geförderten loewe-zentrums für translationale medizin und pharmakologie engagiert. partner sind die universität frankfurt und das max-planck-institut für herz- und lun- genforschung in bad nauheim. übergeordnetes ziel ist die überführung medizinischer grundlagenforschung in die anwendung. eine wichtige rolle spielen dabei die medizi- ner, die sowohl in der klinik als auch in der projektgruppe arbeiten. »durch die forschenden ärzte bekommen wir die probleme vom krankenbett direkt zu uns ins labor«, betont prof. gerd geisslinger, leiter der fraunhofer-projektgruppe und des loewe-zentrums. von der forschung in die klinik wie die entwicklung entlang der wertschöpfungskette in frankfurt läuft, zeigt das projekt aidcure. in jahrelanger grundlagenforschung an der universität hatte prof. harald burkhardt in enger zusammenarbeit mit prof. rikard holm- dahl vom karolinska institut in stockholm einen wirkstoff zur behandlung der rheumatoiden arthritis entwickelt. es ist eine art impfstoff, der gezielt den mechanismus der krankma- chenden autoimmunreaktionen abschaltet. unter der leitung von dr. nadine schneider erfolgt in der fraunhofer-projektgruppe nun die translation – die übertra- gung der grundlagenforschung in die anwendung. »zurzeit suchen wir nach einem weg, das komplexe proteinmole- kül wirtschaftlich im industriellen maßstab herzustellen«, berichtet burkhardt. wenn dieser meilenstein geschafft ist, kann im anschluss an die regulatorisch geforderten präklini- schen sicherheitsstudien die klinische prüfung am menschen erfolgen. studienleiter dr. frank behrens hat bereits mit der erstellung der studienprotokolle begonnen. wie gut eine therapie wirkt, hängt entscheidend von der diagnostik ab. je genauer die erkrankung charakterisiert ist, desto spezifischer kann die behandlung sein. an neuen parametern für die diagnostik arbeitet ein forscherteam im projekt ribulution. iagnostics langsam senken sich die spitzen des pipettierrobo- ters über die kleinen reagenzgläser, in denen sich gewebeproben befinden. sie tropfen eine lösung hinein, die das gewebe auflöst. fast lautlos bewegen sich die pipettenspitzen nach oben, während die reagenzgläser auf dem fließband schon zur nächsten station fahren. vollauto- matisch wird die probe schritt für schritt mit reagenzien

weiter.vorn 2.18 titelthema - 13 links: die elektroden am arm führen zu einer steuer einheit, die die signale an die virtuelle handprothese im hinter- grund überträgt. rechts: in einem speziell isolierten raum testet das team von prof. klaus- peter hoffmann (mitte) die drahtlose signal- und energieübertragung für theranostische implantate. beide bilder © bernd müller forschungen an diagnostik und therapie wachsen immer mehr zusammen. nirgendwo sind sie enger verbunden als in den theranostischen implantaten – implantaten, die therapie und diagnose in einem system vereinen. am fraunhofer- institut für biomedizinische technik ibmt in st. ingbert wird ein solches implantat entwickelt. aufbau- und verbindungstechnik einschließlich biokompatib- ler verkapselung. eine besondere kunst ist die entwicklung und herstellung der elektroden, mit denen die implantate mit dem menschlichen nervensystem kommunizieren. steuerung über muskelbewegungen evices theranostische implantate gehören aufgrund ihrer komplexität und invasivität zu den anspruchsvolls- ten medizintechnischen systemen. daher müssen sie bereits in der entwicklungsphase im labor umfänglich getestet werden. dies ist die aufgabe von dmitry amelin, biomedizin-ingenieur am fraunhofer ibmt. für die tests klebt er sich acht elektroden an den linken unterarm. die elektro- den führen zu einem kleinen kästchen, das vor ihm auf dem schreibtisch liegt. amelin führt daumen und zeigefinger zu einem pinzettengriff zusammen und beobachtet auf dem monitor die signale, die die elektroden von seinen muskeln ableiten. »wir arbeiten an der steuerung für eine hand- prothese«, erklärt amelin. »das kleine kästchen enthält die gesamte steuerelektronik und soll dem patienten später in den verbliebenen unterarm implantiert werden.« in dem kleinen kästchen steckt auch die jahrzehntelange er- fahrung des ibmt mit dem bau intelligenter implantate. dazu gehören die drahtlose signal- und energieübertragung sowie in den laborversuchen für die steuerung der handprothese werden die elektroden noch von außen auf die muskeln ge- klebt. bei den handamputierten patienten will man sie später direkt unter die muskelhaut implantieren. spannt der patient die muskeln so an, als wolle er mit der hand einen pinzet- tengriff machen, erkennt die software der implantatelektro- nik das bewegungsmuster und sendet die entsprechenden steuersignale an die prothese, die dann auch daumen und zeigefinger zusammenführt. dies ist die eine richtung der kommunikation zwischen mensch und prothese. »das bahnbrechende an unserem design ist, dass die prothese dem träger auch ein sensorisches feedback gibt«, erklärt prof. klaus-peter hoffmann, hauptab- teilungsleiter biomedizintechnik am ibmt. dazu werden in die prothese sensoren eingebaut und über die implantatelektronik mit dem menschlichen nervensystem verbunden. »wir haben haarfeine doppelseitige filamentelektroden entwickelt, die man direkt im nerv fixieren kann«, ergänzt hoffmann. auf die- se weise soll der patient zum beispiel spüren können, wie fest er mit der prothese zugreift. und das in echtzeit. bis es in der praxis so weit ist, werden sicher noch zehn bis fünfzehn jahre vergehen. zurzeit laufen die ersten präklinischen versuche.

weiter.vorn 2.18 titelthema - 15 der medical data space – ein sicherer datenraum für die medizin in der medizin werden ständig riesige mengen an daten gesammelt, in forschungs- labors genauso wie in kliniken oder bei den krankenkassen. um das potenzial dieser wertvollen datenbestände nutzbar zu machen, entwickelt die fraunhofer-gesell- schaft den medical data space – einen datenraum, in dem sensible medizinische daten sicher miteinander verknüpft werden können. als basis dient der industrial data space, der von fraunhofer mit wirtschaft und politik entwickelt wurde. er ermöglicht industrieunternehmen einen sicheren daten- austausch und garantiert ihnen gleichzeitig die souveränität über ihre daten. bei der konzeption des medical data space stehen die persönlichkeitsrechte der patientinnen und patienten an oberster stelle. analog zum industrial data space werden die daten nicht zentral in einer cloud gespeichert, sondern verbleiben bei den jeweiligen eigentümern. das schafft zusätzliche sicherheit. www.fit.fraunhofer.de/de/fb/life/ medical-data-space.html sprechen von »radiomics«: die computergestützte kombina- tion von bildaufnahmen und klinischen daten soll helfen, den therapieerfolg genauer vorhersagen zu können. gehirnblutungen automatisch erkennen basis der neuen technologie sind einzelne knotenpunkte, die »knowledge nodes«, die wertvolle informationen aus den datensätzen ableiten können. »ein solcher knoten kann zum beispiel in einer klinik stehen«, beschreibt klein. »unsere ler- nalgorithmen arbeiten vollkommen autonom, sodass keine sensiblen patientendaten nach außen gelangen.« dennoch können sich verschiedene nodes über einen »hub« austauschen – einen rechenknoten, der das lernalgorithmus- wissen aus mehreren kliniken validiert, kombiniert und verbessert. »dadurch ließe sich beispielsweise das automa- tische erkennen und klassifizieren von gehirnblutungen auf ct-bildern optimieren«, erläutert klein. »für den arzt wäre das eine erleichterung, er muss diese zeitraubende aufgabe nicht mehr selbst erledigen, sondern nur noch das resultat des computers überprüfen.« auf der ct-aufnahme umgrenzen zwei linien die ohrspeicheldrüse. die gelbe hat ein arzt markiert. die grüne wurde von einem lern- algorithmus berechnet. © fraunhofer mevis leisten soll. das ziel: »wir arbeiten an einer digitalen infra- struktur, die unterschiedliche medizinische daten miteinander verbindet«, sagt institutsleiter prof. horst hahn. »konkret ver- knüpfen wir bilddaten aus mr-scannern und röntgengeräten mit anderen klinischen informationen, etwa mit blutwerten, genetischen daten und digitalisierten gewebeschnitten.« diese komplexen, miteinander verwobenen datensätze wer- den dann von lernfähigen programmen, den deep-learning- algorithmen, nach aussagekräftigen mustern durchforstet. die ergebnisse dieser analysen sollen die ärzte gleich in mehrfacher hinsicht unterstützen – etwa bei der identifikati- on einer hirnblutung, bei der patientenschonenden tumor- bestrahlung und bei der frage, welches medikament für eine chemotherapie das aussichtsreichste sei. die fachleute quantmed startete im oktober 2016. beteiligt sind kliniken, klinikverbünde, eine fachgesellschaft und unternehmen. »zur halbzeit des projekts ist die erste version des systems fertig, jetzt gehen wir in den testbetrieb«, sagt hahn. »am ende soll eine einsatzfähige infrastruktur stehen, mit der kliniken und forschungseinrichtungen routinemäßig neues wissen aus großen datenmengen ableiten können.« wir haben vier teams besucht. jedes arbeitet an völlig unter- schiedlichen projekten. doch eines haben sie gemeinsam: sie kooperieren unter dem dach der fraunhofer-gesellschaft mit expertinnen und experten anderer fachdisziplinen. dabei arbeiten ärzte, naturwissenschaftler, ingenieure und informa- tiker über die grenzen des eigenen fachgebiets zusammen – und verknüpfen die 4d im fraunhofer-netzwerk.

weiter.vorn 2.18 kompakt - 17 europäisches kultur- erbejahr 2018 ansprechpartnerin: johanna.leissner@zv.fraunhofer.de 2018 hat die europäische union erstmals dem kulturerbe ein euro- päisches themenjahr gewidmet. ziel ist es, in der jungen bevölke- rung das bewusstsein für die sozi- ale und wirtschaftliche bedeutung des kulturellen erbes zu stärken. in der forschungsallianz kulturerbe bündelt fraunhofer fachübergrei- fende kompetenzen, um neue verfahren und methoden für die restaurierung und konservierung von kulturgut zu entwickeln und zu erproben. anlässlich des europäischen jahres des kulturerbes entsteht zudem ende 2018 im fraunhofer-forum in berlin ein virtuelles museum, das ex- pertise und exzellenz von fraunho- fer virtuell und interaktiv erfahrbar macht. weitere stationen werden münchen und dresden sein. kiefer-untersuchungen ohne röntgen ansprechpartner: thoralf.dietz@iis.fraunhofer.de zur eindeutigen diagnose vieler krankheiten, gerade auch in der kieferorthopädie, werden häufig röntgenuntersuchungen einge- setzt. da das hauptklientel für kieferorthopädische untersuchun- gen kinder und jugendliche sind, haben forschende nach alternati- ven untersuchungsmethoden ohne strahlenbelastung gesucht. in einer wissenschaftlichen studie des fraunhofer-instituts für integ- rierte schaltungen iis und des uni- versitätsklinikums erlangen zeigten die forscherinnen und forscher, dass die magnetresonanztomo- graphie (mrt) in vielen bereichen der kieferorthopädie genauso erfolgreich eingesetzt werden kann wie die bisher üblichen verfahren mit ionisierender strahlung. so soll künftig beispielsweise die position von verlagerten oder ungünstig gelagerten zähnen ohne röntgen- strahlung diagnostizierbar sein. die studie zeigt, dass es keine signifikanten unterschiede zwischen auf- nahmen der magnetresonanztomographie (mrt) ohne röntgenstrahlung und der computertomographie (ct) gibt. © fraunhofer iis der »apoll vom belvedere« wird im mittelaltersaal der lie- bieghaus skulpturensammlung in frankfurt am main vom mobilen digitalisierungslabor cultlab3d des fraunhofer igd gescannt. © liebieghaus skulpturensammlung naturserum für längere und dichtere wimpern ansprechpartnerin: sandra.mehlhase@iap.fraunhofer.de ein neuartiges serum, das wimpern zum wachsen bringt, wurde am fraunhofer-institut für angewandte polymerfor- schung iap in potsdam-golm entwickelt. es ist wesentlich günstiger als herkömmliche wimpernseren, sehr gut verträg- lich und zudem ein reines naturprodukt. wimpernseren, die für längere und dichtere wimpern sor- gen, basieren bislang in der regel auf dem gewebshormon prostaglandin. kritische stimmen raten jedoch zur vorsicht im umgang mit diesen kosmetika. das forscherteam des iap hat daher eine zusammensetzung entwickelt, deren wirk- stoff rein pflanzlich ist. zwar wachsen die wimpern etwas langsamer, dafür konnten bisher keine nebenwirkungen verzeichnet werden. das institut ist aktuell im gespräch mit firmen, die das pro- dukt gern herstellen würden. im günstigsten fall könnte das serum in einem jahr auf dem markt sein.

weiter.vorn 2.18 gesundheitsforschung - 19 die position des lymph- knotens wird während der op über eine ar-brille virtuell eingeblendet. © fraunhofer igd bösartige tumore bilden häufig metastasen, die sich über das lymphknotensystem im körper aus- breiten. es verlangt von ärzten viel geschick, präzise die lage solcher knoten zu bestimmen und sie komplett zu entfernen. eine naviga tionshilfe erleichtert medizinern jetzt den eingriff. text: britta widmann die zahl der hautkrebsbehandlungen in kranken- häusern hat nach angaben des statistischen bun- desamts in den vergangenen jahren stark zuge- nommen. besonders gefürchtet ist der schwarze hautkrebs, das maligne melanom. die krebszel- len können von der lymphe in die lymphknoten transportiert werden. dort wachsen dann toch- tergeschwülste heran, die metastasen. betroffen sind zunächst schildwächterlymphknoten. diese liegen im abflussgebiet der lymphflüssigkeit eines bösartigen tumors an erster stelle. sind sie mit krebszellen befallen, haben sich wahrschein- lich bereits weitere metastasen gebildet. daher spielen schildwächterlymphknoten bei der dia- gnose und therapie bestimmter krebsarten wie dem haut-, dem brust- und dem prostatakrebs eine entscheidende rolle. ärzte untersuchen die knoten nach dem herausschneiden des tumors, um zu prüfen, ob er bereits gestreut hat. datenbrille hilft beim lokalisieren der knoten trotz neuer erkenntnisse in der medizin ist es für ärzte während einer operation noch immer pro- blematisch, die exakte lage von schildwächter- knoten auszumachen und zu erkennen, ob der lymphknoten tatsächlich vollständig entfernt wurde. die neuartige navigationshilfe 3d-arile aus dem fraunhofer-institut für graphische datenverarbeitung igd in darmstadt hilft den medizinern beim entfernen der knoten. das augmented-reality-system in form einer datenbrille unterstützt ärzte mithilfe von mar- kierungen dabei, die lymphknoten zu lokalisie- ren. das besondere: die ar-brille funktioniert in kombination mit einer leistungsstarken soft- ware zur medizinischen navigation, mit einem stereosystem aus nahinfrarotkameras (nir) und dem fluoreszenzfarbstoff indocyaningrün (icg). »um den betroffenen lymphknoten sichtbar zu machen, wird dem patienten ein fluoreszenz- farbstoff in die direkte umgebung des tumors gespritzt, der sich über die lymphbahnen verteilt und im wächterlymphknoten sammelt«, erklärt dr. stefan wesarg, abteilungsleiter am igd. licht aus infrarot-leds regt den farbstoff zur fluoreszenz an. die nir-kameras erfassen die fluoreszenz und rekonstruieren den be- troffenen lymphknoten in 3d. dessen position wird dem arzt in echtzeit ortsgenau in der datenbrille eingeblendet. die dafür erforderliche software ist eine entwicklung der darmstädter forscherinnen und forscher. »in unserem fall ist das erkrankte gewebe grün dargestellt. der arzt kann durch die einfärbung feststellen, ob er tatsächlich alles nötige herausgeschnitten hat«, sagt wesarg. patienten schonend behandeln bislang verwenden ärzte das radioaktive nano- kolloid technetium 99m als medizinischen tracer. icg soll diese schädliche markierungssubstanz ersetzen, patienten können somit wesentlich schonender behandelt werden. auch der zeitfak- tor spielt eine entscheidende rolle: beim einsatz des radioaktiven markers strahlt der lymphkno- ten nur schwach. daher waren bislang aufnah- men mit szintillationskameras erforderlich, die etwa 30 minuten dauerten, um die exakte lage des lymphknotens zu erfassen. die datenbrille hingegen blendet den befallenen knoten sofort ein – eine große erleichterung für den operateur, der nicht auf einen zusätzlichen monitor schauen und die darstellung am bildschirm mit dem kamerabild abgleichen muss. »der arzt kann sich ganz auf den patienten konzentrieren und so stressfreier operieren«, sagt wesarg. ein weiterer vorteil: die ar-brille ist sehr leicht und zeichnet sich durch einen hohen tragekom- fort aus, wie die ärzte der dermatologie der universitätsklinik essen nach zahlreichen tests bestätigten. alle projektpartner waren bei der entwicklung des systems im engen austausch, um die navigationshilfe optimal an die bedürf- nisse des operateurs anzupassen. das augmented-reality-system ist eine kombi- nation aus hard- und software. die hardware wurde von der trivisio prototyping gmbh entwickelt. für die entwicklung der software waren die forscher vom igd verantwortlich. die arvyss gmbh wird das zum patent angemeldete system auf den markt bringen.

weiter.vorn 2.18 wissenschaftspreise - 21 das phänomen licht, im landläufigen verständ- nis der sichtbare teil der elektromagnetischen strahlung, ist in wissenschaft und forschung, industrie und gesellschaft nahezu omnipräsent. technische lösungen, die mit licht arbeiten, finden sich überall: mikroskope oder teleskope in der forschung, led-scheinwerfer im auto, laser in der industrie, glasfaserkabel in der tele- kommunikation, digitalkameras für fotografen, virtual-reality-brillen bei computerspielen – alle diese anwendungen nutzen licht als medium oder energieträger. weltweit versuchen universitäten und for- schungseinrichtungen, das phänomen licht noch besser zu verstehen und neue anwendun- gen zu entwickeln. ganz vorne mit dabei ist das fraunhofer-institut für angewandte optik und feinmechanik iof in jena. gemeinsam mit zehn industriepartnern und der universität jena hat ein forscherteam eine innovation entwickelt, die den weg für eine reihe neuer anwendungen öffnet. das stich- wort lautet freiformoptische systeme. bisher war die optik auf sphärische (teil einer kugel) oder asphärische (abweichend von einer kugelform) formen begrenzt. die entwicklung dieser gleichmäßig geformten rotationssymmetrischen optiken und linsen ist ziemlich ausgereizt, es wird immer aufwendiger, neue funktionen und anwendungen zu realisieren. es besteht hoher bedarf an frei formbaren optiken. frei formbare oberflächenprofile ermöglichen neue funktionen bei verbesserter abbildungs- qualität. so kann beispielsweise eine optik in einem teleskop über mehrere brennweiten verfügen, ohne dass dazu mehrere linsengrup- pen und einzellinsen verbaut werden müssen. das spart material, gewicht und platz. dies wiederum ermöglicht eine besonders kompakte und leichte bauweise. wenn weniger einzel- teile verbaut werden müssen, erleichtert und beschleunigt das natürlich auch die fertigung. komplexe zusammenarbeit der projektpartner die expertinnen und experten am iof ha- ben das potenzial freiformoptischer systeme erforscht, innovative lösungen vorgestellt und die fertigungsmethoden weiterentwickelt. vom hochpräzisen schliff der linsen über die beschichtung und vergütung der komplex geformten oberflächen bis hin zum polieren der gläser konnten die forschenden gemeinsam mit den beteiligten industriepartnern eine reihe technischer herausforderungen lösen. dr. ramona eberhardt, abteilungsleiterin feinwerktechnik und stellvertretende instituts- leiterin am iof, hat das komplexe und viele jahre dauernde forschungsprojekt geleitet und die zusammenarbeit aller partner koordiniert. »dieses große team mit all den unterschiedli- chen kompetenzen und interessen zusammen- zuhalten, war schon eine herausforderung«, sagt eberhardt. doch die mehr als 100 meetings in drei jahren, die ungezählten telefonate und e-mails, sie haben sich gelohnt. heute beweisen demonstratoren das potenzial der neuen tech- nologie, beispielsweise als infrarotoptik für den feuerwehrmann, als spezialoptik für weltraum- teleskope oder als fahrerassistenzsystem. durch die freiformoptischen systeme werden neue anwendungsszenarien realisierbar, etwa bei der erd- und wetterbeobachtung, in der umwelt- technik sowie in den bereichen automotive und public safety. projektleiterin eberhardt nennt als aktuelles beispiel die nightvision-technik am auto: »mit herkömmlicher technik bräuchte man eine vielzahl von kameras, um alle winkel zu erfassen. die freiformoptik ermöglicht den bau von kameras, die unterschiedliche brenn- weiten und funktionen in einem kompakten ge- häuse vereinen.« für mikro- und nanosatelliten der zukunft sind die freiformoptiken ebenfalls ideal. sie ermöglichen einen gefalteten strah- lengang mit weniger linsen und sparen somit gewicht und platz. eine ganzheitliche technologie- plattform die idee der freiformoptik ist nicht neu, konnte sich aber bisher nicht durchsetzen. es gab keine zusammenhängenden prozessketten für die wirtschaftliche fertigung entsprechen- der produkte. dies war deshalb ein zentrales anliegen des projekts. unter der leitung von eberhardt und ihrem team ist eine ganzheitliche technologie-plattform entstanden, bei der zahl- reiche industriepartner, darunter unternehmen wie jenoptik und asphericon, ihr know-how einbringen. die vielfältigen kompetenzen des verbunds decken die ganze prozesskette ab – von entwicklung und design über die fertigung bis hin zur systemintegration. die initiative wurde im programm »innovativer regionaler wachstumskern« vom bundesministerium für bildung und forschung (bmbf) mit 14,4 mio euro gefördert. im keller des institutsgebäudes in jena liegen die räume für die fertigung. hier stellen die forscherinnen und forscher prototypen her und verfeinern ihre fertigungsverfahren. betreten lassen sich die räumlichkeiten nur durch eine spezielle schleuse. im inneren ist die temperatur exakt eingestellt und geregelt, riesige luftrohre führen zu warme oder zu kalte luft ab. die empfindlichen maschinen stehen auf gra- nitplatten, um selbst kleinste erschütterungen wie beispielsweise trittschall zu eliminieren. sie produzieren die systeme oder bauteile, die die entwickler sich ausgedacht und dann mithilfe mathematischer modelle am pc berechnet ha- ben. die ultrapräzisen diamantwerkzeuge sind in der lage, optiken mit einem durchmesser von bis zu einem meter zu bearbeiten. besucher sind auch beeindruckt von der poliermaschine. sie arbeitet mit einer polierflüssigkeit, die mit eisenspänen angereichert ist. diese eisenspäne sind das flüssige sandpapier. durch ein mag- netfeld lassen sie sich gezielt ausrichten, um die oberflächen zu bearbeiten. für die herstellung aller komponenten gilt: die enge zusammenarbeit aller projektpartner war entscheidend für den erfolg des projekts. »für eine funktionierende freiformoptik müssen alle partner zusammenspielen und ihre unterschiedli- chen kompetenzen einbringen«, sagt eberhardt. für diese gemeinschaftsleistung haben das iof und seine partner jetzt den wissenschaftspreis des stifterverbandes für verbundforschung 2018 erhalten. eine gute nachricht ist das thema freiform auch für die traditionsreiche optikbranche in thüringen: das projekt trägt erheblich zur stär- kung der branche in thüringen und der region jena bei. jena wird in der branche oft als »optic valley« bezeichnet und gilt als deutschlands erste adresse in sachen optik-know-how. mit dem forschungsprojekt freiform hat jena beste chancen, dass dies auch in zukunft so bleibt.

weiter.vorn 2.18 wissenschaftspreise - 23 das problem ist im kern ganz einfach: metall dehnt sich bei hitze aus und zieht sich bei kälte zusammen. schwieriger wird es, wenn metall und keramik verbunden sind. denn diese mate- rialien haben unterschiedliche ausdehnungsko- effizienten. wie also geht man vor, wenn man eine verbindung aus metall und keramik als dämmschicht in flugzeugtriebwerken einsetzen muss? also, gerade da, wo die belastung extrem hoch ist. bei der verbrennung von kerosin entstehen temperaturen von über 2.000 kelvin. nach der landung kühlen die triebwerke schnell wieder ab. der wechsel von heiß und kalt stellt eine enorme belastung für die bauteile und wär- medämmschichten dar. diese müssen deshalb regelmäßig überprüft und gewartet werden. wie lässt sich mit den gegebenen materialien die be- lastung senken und gleichzeitig die haltbarkeit der wärmedämmschichten verbessern? so etwa lautete die fragestellung mit der prof. frank brückner und mirko riede vom fraunho- fer-institut für werkstoff- und strahltechnik iws in dresden im jahr 2006 konfrontiert wurden. nun, nach jahrelanger enger zusammenarbeit mit dem triebwerkhersteller rolls-royce können die experten einen erfolg melden. gemeint sind damit nicht nur ein wissenschaftlicher durchbruch oder vielversprechende prototypen, vielmehr haben die ersten flugzeuge mit der fraunhofer-technologie bereits den regulären flugbetrieb aufgenommen. bei den neuen strahltriebwerken von rolls-royce ist aufgrund mehrerer technologischer maßnahmen der kraft- stoffverbrauch um bis zu zehn prozent geringer. so sinken auch die treibhausgasemissionen. im kern basiert die von den fraunhofer-experten entwickelte technologie auf filigranen, additiv gefertigten mikrostrukturen. diese werden zum aufbau innovativer wärmedämmschichten auf den turbinenbauteilen genutzt. bei den sogenannten tbc (thermal barrier coating) werden eine metallische, oxidationsbeständi- ge haftvermittlerschicht und eine keramische dämmschicht miteinander verklammert. experi- mente und simulationen haben bewiesen, dass diese tbc eine besonders effektive dämmung im heißgasbereich der triebwerke bieten und zugleich robust und langlebig sind. entlastung von zugspannung durch vertikale risse wie oben erwähnt, bestand eines der probleme bei der konstruktion und fertigung der tbc darin, die unterschiedlichen ausdehnungskoeffi- zienten von metall und keramik zu beherrschen. dadurch entstehen mechanische spannungen in der dämmschicht. diese könnten zu horizon- talen rissen in der keramischen schicht führen, die in der folge abplatzen kann. um das zu verhindern, haben brückner und riede durch die besondere form der mikrostruktur gezielt vertikale segmentierungsrisse in der keramik- schicht initiiert. das vermindert zugspannungen im material und wirkt so dem entstehen der horizontalen risse entgegen. was im endergebnis nach einer logischen idee klingt, verlangte dem wissenschaftler-team am iws eine menge tüfteleien, ausprobieren und experimentieren ab. »es hat über jahre immer wieder rückschläge gegeben und auch momente, in denen wir nachts da saßen und probleme wälzten. aber wir wussten, dass wir bei diesem ambitionierten forschungsprojekt weiterkommen mussten und haben es dann auch geschafft«, erklärt frank brückner. additive fertigungstechnik mit single-mode-faserlaser für die produktion der filigranen mikrostruktu- ren mussten die forscher vorhandene ferti- gungstechniken und geräte weiterentwickeln. jetzt produziert ein hochpräziser single-mode- faserlaser mikrostrukturen in einer größenord- nung von 30 mikrometern. deren säulenförmi- ger aufbau vergrößert die dehnungstoleranz der dämmschicht. das für die konstruktion der tbc und die an- spruchsvollen fertigungsverfahren nötige wissen wurde nicht nur in experimenten gewonnen. »einen wesentlichen anteil am erfolg haben die simulationen und die theoretische modellierung, mit denen wir ergänzend gearbeitet haben. die wechselwirkung zwischen den modellbasierten simulationen und den experimenten machte es uns möglich, wichtige erkenntnisse zu gewin- nen und die entwicklung der anlagen und der systemtechnik weiter zu treiben«, erklärt mirko riede. kerosinverbrauch sinkt um 10 prozent die langjährige arbeit hat sich gelohnt. die lebensdauer der dämmschichten verlängert sich deutlich, die effizientere verbrennung redu- ziert den treibstoffverbrauch um zehn prozent, auch die treibhausgasemissionen sinken. damit verbunden sind erhebliche kosteneinsparungen. in kombination mit weiteren maßnahmen von rolls-royce, beispielsweise der erhöhung der verbrennungstemperatur auf über 2.000 kelvin oder der verbesserten aerodynamik des kom- pressors, ergeben sich pro jahr und flugzeug einsparungen von ca. 2,9 millionen dollar. zudem ist es dem gemeinsamen team aus fraunhofer-forschern und rolls-royce-ingenieu- ren gelungen, die forschung in eine serienreife fertigung zu überführen, die den strengen si- cherheitsstandards der luftfahrtbranche genügt. die werkzeugmaschinen für den bau der trieb- werke stehen inzwischen bei den zulieferern von rolls-royce und wurden basierend auf vorgaben des iws hergestellt. für ihre wissenschaftlichen leistungen wurden frank brückner und mirko riede gemeinsam mit dr. dan roth-fagaraseanu vom industriepartner rolls-royce mit dem joseph-von-fraunhofer- preis des jahres 2018 ausgezeichnet. fertigung der triebwerke in deutschland nach ersten erfolgreichen testflügen der trieb- werke mit fraunhofer-technologie im november 2015 erfolgte die offizielle luftfahrtzulassung der european aviation safety agency (easa). seit februar 2018 sind langstreckenflugzeuge wie der airbus a350-1000 mit den neuen triebwerken in einsatz. das trent xwb-97 ist der exklusive an- trieb dieses flugzeugmusters und das heute effizi- enteste großtriebwerk der welt. die fraunhofer- experten erwarten, dass in zukunft auch weitere strahltriebwerke mit den innovativen technologi- en aus dem iws ausgestattet sein werden. um der hohen nachfrage für die strahltrieb- werke der xwb-serie gerecht zu werden, fertigt rolls-royce das triebwerk inzwischen auch an einem standort in deutschland. der konzern hat dazu rund 100 million euro in dahlewitz (brandenburg) investiert. dort entstand eine smart factory, die auch den maßstäben von »in- dustrie 4.0« gerecht wird. gemeinsam mit dem standort im britischen derby werden pro wo- che insgesamt sieben triebwerke gefertigt. die 2.800 mitarbeiter am standort in brandenburg können darauf vertrauen, dass ihre arbeitsplätze gesichert sind. auch dies ist ein erfolg, zu dem die langjährige forschungsarbeit am iws einen wichtigen baustein geliefert hat.

weiter.vorn 2.18 wissenschaftspreise - 25 schon seit 1998 arbeiten forscherinnen und for- scher des fraunhofer-instituts für bild gestützte medizin mevis in bremen an »softwarelösungen für risikoanalyse und planung in der leberchir- urgie«. was so trocken-sachlich klingt, steht für eine wissenschaftliche leistung, die vermutlich schon vielen menschen das leben gerettet hat. jährlich erkranken weltweit 750 000 menschen neu an leberkrebs und noch viel mehr ent- wickeln lebermetastasen aufgrund anderer krebserkrankungen. das forschungsprojekt am mevis liefert einen entscheidenden beitrag, da- mit chirurgen den tückischen krebs sicher und erfolgreich operieren. mit ihrem hochkomplexen aufbau macht es die leber den chirurgen nicht gerade einfach. 1,5 liter blut fließen pro minute durch die gefäßsysteme. durch einen falschen schnitt kann der zu- oder abfluss des bluts in einzelnen bereichen gestört und damit die funktion des organs beeinträchtigt werden. schon kleine veränderungen der chirurgischen schnittführung können so dramatische änderungen im ergebnis nach sich ziehen. die räumlichen abhängig- keiten der komplex ineinander verschränkten gefäßanatomie sind bei ct- oder mrt-bildern kaum zu durchschauen. algorithmen helfen bei der entscheidung hier setzt das mevis-team um dr. andrea schenk, dr. stephan zidowitz und alexander köhn an. sie haben eine software entwickelt, die radiologische aufnahmen analysiert und nicht-sichtbare informationen mithilfe mathe- matischer modelle berechnet. die algorithmen quantifizieren risiken für den eingriff und generieren eine detaillierte 3d-visualisierung der leber und ihrer gefäßsysteme. versorgungs- gebiete dieser blutgefäße wie beispielsweise der portalvene und der leberarterien werden berechnet und helfen, mögliche schnittführun- gen zur entfernung der tumoren zu bewerten. damit können chirurgen ihre operationen gründlich planen. sie sehen, welche schnitte besonders gefährlich sind, und sie entscheiden, wie sie tumorherde inklusive der sicherheits- ränder entfernen. »das sind aber nur vorschlä- ge, die entscheidung muss der chirurg oder die chirurgin selber fällen«, meint teamleite- rin andrea schenk. mit diesen planungsdaten verläuft die leberoperation effizienter und sicherer. die software unterstützt auch bei der grund- legenden entscheidung, ob eine operation über- haupt möglich ist. hier können schenk, zidowitz und köhn auf einen großen erfolg verweisen. »mithilfe der bildverarbeitungsalgorithmen sind leberoperationen sicher durchführbar, die vorher noch als riskant oder gar als unmöglich galten«, erklärt schenk. ihr ganzes potenzial spielt die software bei der leberlebendspende aus. dabei wird die leber des spenders geteilt, und nach der operation müssen die beiden teile in empfänger und spen- der funktionieren und wieder wachsen. möglich ist dies deshalb, weil die leber als einziges der inneren organe in der lage ist nachzuwachsen. mit welchen risiken die heiklen schnitte durch das gefäßsystem bei der teilung des organs verbunden sind, darüber geben die bildverarbei- tungsalgorithmen auskunft. trotz der beeindruckenden erfolge machen die bremer kollegin und kollegen bei der persönli- chen begegnung nicht den eindruck des über- ehrgeizigen wissenschaftler-teams, das an einer »großen sache dran ist«. schenk, die vorträge an universitäten hält und auf bisher mehr als 100 publikationen zurückblicken kann, und ihre kollegen strahlen vielmehr eine mischung aus konzentration, unaufgeregter sachlichkeit und gelassenheit aus. was ärzte wissen wollen viele kliniken sind an der technik interessiert. was ist bei den vorführungen die meist gestellte frage der ärzte? stephan zidowitz schmunzelt: »wann und wo kann ich es kriegen? das wollen eigentlich alle ärzte zuerst wissen.« entscheidend für die qualität der mevis-analyse sind nicht nur die cleveren algorithmen, die mit deep-learning-techniken noch schneller arbei- ten. wichtig ist auch der intensive austausch mit chirurgen, radiologen und weiteren exper- ten. »erst durch diesen austausch haben wir gelernt, worauf es bei der software in der praxis ankommt und wie wir unser system verbessern können«, erklärt köhn. dafür gehen die fraunhofer-experten auch mal in einen operationssaal – oder treten eine lange flugreise nach japan an. dort hatte die bildana- lyse vor mehr als zehn jahren ihren durchbruch erlebt, als institutsgründer heinz-otto peitgen den damals weltweit führenden leberchirurgen prof. koichi tanaka vom kyoto university hos- pital für die mevis-technik begeisterte, der sie danach regelmäßig zur planung seiner operatio- nen einsetzte. tablet-pc im op 2012 ist alexander köhn wieder nach japan ge- flogen, diesmal zur universität yokohama. dabei sollte ein entscheidendes problem der ärzte gelöst werden: wie bekommt man die planungsdaten in den operationssaal? bisher hatten sich chirurgen damit beholfen, papierausdrucke im op aufzu- hängen. der siegeszug von tablet-pcs brachte die mevis-experten auf die idee, die daten über eine app auf das apple ipad zu bringen. das nimmt der chirurg, steril in plastikfolie verpackt, in den op mit. bei seinem besuch in yokohama benötigte köhn gerade mal drei monate, um die entsprechende app für das ipad zu schreiben. die app wartet mit einem besonderen high- light auf. sie kombiniert die planungsdaten mit augmented reality. dazu schaltet der arzt die kamera im ipad ein und richtet sie auf die leber des patienten. das zuvor mithilfe der algorithmen generierte 3d-bild überlagert das livebild der kamera und zeigt dem operateur die lage der blutgefäße und tumoren unter der leberoberfläche an. zudem helfen die planungs- informationen, die schnittführung während der operation anzupassen, falls das notwendig werden sollte. die anpassungen lassen sich mit der app vor ort schnell bewerten. parallel zu den arbeiten mit dem tablet entwi- ckeln die mevis-forscher derzeit in kooperation mit einem hamburger start-up eine anbindung an eine datenbrille. mit dieser werden die pla- nungsbilder direkt in das sichtfeld des chirurgen eingeblendet. ob mit ipad oder datenbrille, die fraunhofer- technik hat sich in der medizinischen welt längst als mevis-analyse etabliert. für ihre erfolgreiche forschungsarbeit haben die bremer den mit 50 000 euro dotierten joseph-von- fraunhofer-preis des jahres 2018 erhalten. den größten erfolg für das forscherteam stellen aber die menschen dar, denen durch eine gelungene krebsoperation geholfen werden kann. den medizinern und ihren patienten werden schenk, zidowitz und köhn auch in zukunft helfen – mit cleveren algorithmen und guten ideen.

weiter.vorn 2.18 wissenschaftspreise - 27 dr. michael böhnel wirft einen letzten prüfenden blick auf die riesige anlage. ein vorserienfahr- zeug steht senkrecht auf einem schwerlast- drehteller. der aufbau erinnert an eine rakete beim start. nebenan im kontrollraum blickt sein kollege nils reims auf die monitore und wartet geduldig, bis böhnel die halle verlassen und die schwere strahlenschutztüre verschlossen hat. dann startet reims die messung. herzstück des systems ist ein großer linear- beschleuniger, der auf einem fünf meter hohen turm montiert ist und röntgenstrahlung aussendet. der turm auf der gegenüberliegen- den seite trägt eine groß dimensionierte zeilenröntgenkamera, die über ein spaltförmi- ges sensorfeld von vier metern breite verfügt und mit 10 000 pixel auflöst. zwischen dem linearbeschleuniger und der röntgenkamera steht das auto auf dem drehteller. präzise und absolut synchron gleiten beschleuniger und kamera in einer vertikalen bewegung von unten nach oben und tasten das auto zeile für zeile ab. der linearbeschleuniger sendet röntgenblitze mit bis zu neun megaelektro- nenvolt aus. die hochenergiestrahlen passieren die komplexe struktur des autos. sogar den dichten motorblock durchdringen sie und treffen dann abgeschwächt auf das sensorfeld der kamera. der scanvorgang kann – abhängig von erforderlicher bildqualität und objektbe- schaffenheit – viele stunden oder gar tage in anspruch nehmen. der lohn für die aufwen- dige hightech-prozedur: gestochen scharfe, kontrastreiche und hochauflösende bilder in 3d, die jedes detail aus dem innenleben des objekts offenlegen. die größte ct-anlage der welt bisher war die computertomographie (ct) wegen der üblicherweise begrenzten strahlen- energie von wenigen hundert kiloelektronenvolt (kev) auf kleinere und leicht zu durchdringende objekte beschränkt. die xxl-technologie, die das forscherteam mit gruppenleiter michael salamon, nils reims und dr. michael böhnel am fraunhofer-institut für integrierte schaltun- gen iis in mehrjähriger arbeit entwickelt hat, bedeutet einen großen fortschritt. erstmals ist es möglich, auch sehr große objekte mit komple- xen strukturen zu durchleuchten und daraus detaillierte 3d-datensätze zu generieren. die anlage beherrscht die analyse von bis zu zehn tonnen schweren objekten und ist damit das zurzeit größte ct-system der welt. tet. die wände sind bis zu drei meter dick und mit hochofenschlacke gefüllt, um die strahlen zu absorbieren. crashtest im röntgenbild kontrolle von frachtcontainern das xxl-ct-system ist ideal, um beispielsweise elektroautos nach einem crashtest zu unter- suchen. bisher musste man die objekte erst aufwendig zerlegen, um aufbau und innenleben analysieren zu können. durch die zerstörungs- freie röntgentechnik lassen sich struktur und materialien des objekts im detail am bildschirm analysieren. die qualität der 3d-bilder hat auch skeptiker überzeugt. michael salamon erklärt: »man hat früher geglaubt, dass die strukturen im hoch- energiebereich nicht mehr erkennbar seien, weil materialien mit niedriger absorptionsrate von denen mit hoher absorptionsrate sozusagen überschattet werden. viel kv macht grau, das war die landläufige meinung. das hat sich aber nicht bewahrheitet.« um 3d-röntgenbilder in der gewünschten qualität zu erhalten, mussten die forscher das system weiter optimieren. so haben sie gemein- sam mit dem industriepartner mt mechatronics den schwerlastdrehteller sowie die hubeinrich- tungen für linearbeschleuniger und kamera entwickelt. der antrieb des drehtellers war ursprünglich für radioteleskope gebaut worden. er positioniert tonnenschwere objekte mit einer genauigkeit von einem zehntel millimeter. eine weitere herausforderung bei xxl-messungen ist der umgang mit riesigen datenmengen: bereits ein scan kann mehrere hundert gigabyte beanspruchen. solche datenberge sind schwer zu bewältigen und benötigen nicht nur viel speicherplatz, sondern auch viel mess- sowie rechenzeit für rekonstruktion und bearbeitung. die langjährige expertise des iis im bereich der steuerungssoftware und algorithmik ermöglich- te den experten, die röntgendaten mit einem hohen grad an automatisierung zu erfassen und effizient zu verarbeiten. ein wichtiger aspekt beim bau der neun mil- lionen euro teuren anlage war die sicherheit. zahlreiche videokameras und ein personenzäh- ler gewährleisten, dass sich niemand in der halle aufhält, während der linearbeschleuniger arbei- neben dem durchleuchten von fahrzeugen, zum beispiel zur analyse von crashstrukturen, gibt es eine reihe weiterer anwendungen wie die kontrolle von seefrachtcontainern. schon jetzt werden in häfen viele container durch- leuchtet – bislang allerdings noch in 2d. durch die 3d-technik werden auch kleine gegenstän- de im inneren der container deutlicher sicht- bar. gerade für sicherheitsbehörden, die nach gefahrgütern wie bomben oder handfeuerwaf- fen fahnden, aber auch für zollbehörden auf der suche nach schmuggelware liefert die technolo- gie einen entscheidenden vorteil. neben den industriepartnern freuen sich auch wissenschaftler über die xxl-computertomo- graphie: das stichwort lautet cultural heritage. so lassen sich historische objekte wie etwa musikinstrumente durchleuchten, bei denen ein aufschneiden und zerlegen nicht infrage kommt. die forscher hatten beispielsweise einen flügel aus dem 19. jahrhundert und einen bmw 328 wendler auf ihrem drehteller. in einer spektakulären aktion durfte das team einen 66 millionen jahre alten dinosaurierschädel durchleuchten. während der prozedur blieb der schädel des tyrannosaurus rex in einer kiste mitsamt dem ihn umgebenden erdreich, in dem paläontologen ihn gefunden hatten. nach einer untersuchung der ct-bilder konnten die wissen- schaftler den saurierschädel behutsam von der erdschicht befreien. nun planen die fraunhofer-experten den nächsten schritt, die gantry-ct. hierbei bleibt das objekt unbewegt stehen. stattdessen umkreisen linearbeschleuniger und kamera das objekt. ein prototyp der futuristisch anmuten- den anlage entsteht derzeit in zusammenarbeit mit mt mechatronics und der technischen uni- versität kaiserslautern. von den forscherinnen und forschern wird die gantry-ct in anspielung auf eine bekannte science-fiction-serie schon jetzt liebevoll »stargate« genannt. vom tyran- nosaurus rex zurück in die zukunft – eine reise ganz nach dem geschmack der fraunhofer- forschenden.

weiter.vorn 2.18 bioökonomie - 29 die pilotanlage besteht aus einem container mit vorla- gebunker und energiezent- rale sowie einem rahmen, in dem die reaktoren zur trocknung und torrefi- zierung, die vorrichtung für den feststoffaustrag und die kondensatoren untergebracht sind. © fraunhofer igb beim projektpartner in spanien wird die torre- fizierung verschiedener lignocellulose haltiger substrate untersucht, darunter rebschnitt (links unbehandelt, rechts torrefi- ziert). © fraunhofer igb reaktivität als größere materialstückchen. zum anderen kann er bei der energetischen nutzung mit steinkohle-staub vermischt und in die feue- rung von kohlekraftwerken eingeblasen werden. die kohle ließe sich sogar bei gleicher feue- rungstechnik gänzlich durch biomasse ersetzen. besonders wertvoll sind die flüchtigen substan- zen, die bei der torrefizierung entstehen. aus ihnen lassen sich chemikalien gewinnen, die als ausgangsmaterial für viele andere industrie- produkte dienen. diese plattformchemikalien wurden bisher aus erdöl oder erdgas gewonnen, über die torrefizierung lassen sie sich dagegen nachhaltig erzeugen. »die plattformchemikalien werfen bei vielen biomasse-materialien so viel gewinn ab, dass sie den gesamten torrefizie- rungsprozess finanzieren«, sagt egner. generell gilt: je weniger verholzt die biomasse ist, desto größer der gewinn durch die plattformche- mikalien. die partner der universität glasgow entwickeln dafür geschäftsmodelle. dampftrocknung bei über 200 grad doch nun zum prozess. was genau geschieht bei der wärmebehandlung? »die torrefizierung an sich ist kein neues verfahren«, erklärt bruno scherer, projektingenieur am igb. »im steambio- projekt setzen wir auf die am igb entwickelte dampftrocknungs-technologie, die wir für die- sen prozess angepasst haben. wir arbeiten hier bei temperaturen zwischen 200 bis 250 grad celsius.« das besondere an der technologie: die in der biomasse enthaltene feuchte sowie dampfförmige reaktionsprodukte der torre- fizierung werden kontrolliert im prozessraum gehalten und bilden selbst das prozessmedium. »wir arbeiten also mit überhitztem dampf«, verdeutlicht scherer. die hohe temperatur trocknet die biomasse und führt dazu, dass niedrig siedende organi- sche verbindungen flüchtig werden. während cellulose und lignin als feststoff zurückbleiben, gehen die flüchtigen stoffe in die gasphase über. mithilfe spezieller kondensatoren fangen die forscher diese gasförmigen substanzen auf, kühlen sie selektiv ab und gewinnen sie auf diese weise als flüssigkeiten zurück. eine pilotanlage ist bereits im einsatz: sie wurde beim projektpartner heckmann metall- und maschinenbau gmbh gefertigt und dort bereits betrieben – sieben tage die woche rund um die uhr. als biomasse wurde buche verwendet. seit januar 2018 steht die anlage in spanien. hier torrefizieren projektpartner kiefern-, eichen- und buchenholz sowie rebschnitt und reststoffe der olivenproduktion. »ziel dieses pilotversuchs ist es, die erträge der feststoffe und der flüch- tigen reaktionsprodukte zu charakterisieren«, sagt egner. diese untersuchungen bilden die grundlage für die weitere kommerzialisierung der technologie.

weiter.vorn 2.18 bioökonomie - 31 bäume statt erdöl? wenn es darum geht, das wohnzimmer muckelig warm zu bekommen, ist das nichts neues – einen kamin haben viele menschen im haus. künftig könnte holz jedoch vermehrt auch der chemischen industrie als roh- stoff für basischemikalien dienen. interessant ist dabei das lignin, das mit einem massenanteil von 30 prozent einer der hauptbestandteile von verholzter biomasse ist und zu den häufigsten organischen verbindungen der erde gehört. das rohstoffreservoir ist dementsprechend gigantisch: in der zellstoffindustrie fallen weltweit jährlich etwa 50 mio tonnen lignin an – als abfallprodukt wohlgemerkt, das in den heiz- kesseln von kraftwerken landet und die benötigte prozess- energie sowie grünen strom für das netz liefert. vom holz bis zu den basischemikalien forscherinnen und forscher des fraunhofer-zentrums für chemisch-biotechnologische prozesse cbp wollen diesen weitestgehend ungenutzten schatz nun heben – und das lignin als rohstoff der chemischen industrie zugänglich machen, statt es zu verfeuern. »wir bilden dabei die gesamte prozesskette im vorindustriellen maßstab ab: vom holz über die gewinnung des lignins bis hin zu den basischemikalien«, sagt dr. daniela pufky-heinrich, gruppenleiterin am cbp. üb- licherweise wird das lignin durch schwefelverbindungen aus dem holz herausgelöst, man spricht dabei auch von kraft- lignin. zurück bleibt der gewünschte zellstoff. das problem: der schwefel verunreinigt das lignin, es eignet sich nur noch bedingt als rohstoff. »wir haben daher das alternative organosolv-verfahren fit gemacht für den einsatz in der zellstoffindustrie«, sagt dr. moritz leschinsky, gruppenleiter am fraunhofer cbp. statt schwefelverbindungen nutzen die forschenden ethanol, also alkohol, um das lignin bei temperaturen von bis zu 200 grad celsius und drücken von bis zu 28 bar aus dem holz herauszulösen. während die cellulose wie bisher auch als feststoff zurückbleibt, kann das im ethanol gelöste lignin über verschiedene filtrationsschritte ausgefällt werden. der große vorteil: das so erhaltene lignin ist frei von schwefel- rückständen. die zellstoffindustrie könnte es daher in form von basischemikalien verkaufen und die wertschöpfung stei- gern. in der organsolv-pilotanlage, die am cpb aufgebaut wurde, können bereits bis zu einer tonne holz pro woche verarbeitet werden. lignin wird bisher direkt in polyurethanen oder phenolharzen eingesetzt. die frage war: welche weiteren basischemikali- en lassen sich aus lignin gewinnen? auch dafür haben die forschenden am cbp eine lösung entwickelt. über eine basenkatalytische depolymerisation spalten sie bestimmte molekülbindungen innerhalb des lignins auf, das größere ligninmolekül zerfällt somit in verschiedene kleinere basis- chemikalien-moleküle. sprich: sie geben die base natrium- hydroxid zum lignin, erhöhen temperatur und druck – und erhalten ein stoffgemisch aus basischemikalien, das sie über physikalische prozesse wie filtration und destillation auftren- nen. »auch hier lag die hauptentwicklungsleistung vor allem darin, die prozesse für den großen maßstab auszulegen«, er- läutert pufky-heinrich. das ist gelungen: die am cbp entstan- dene depolymerisations-pilotanlage kann pro woche mehr als dreihundert kilogramm lignin oder mehr als drei tonnen ligninlösung in verschiedene basischemikalien umsetzen. die ligninaufbereitung findet sowohl in der zellstoffindus- trie als auch in der chemischen industrie großen anklang. während die zellstoffindustrie vor allem die frage umtreibt, welche basischemikalien sich aus dem dort anfallenden lig- nin am besten gewinnen lassen, nehmen die mitarbeiter der chemischen industrie die erzeugten basischemikalien genauer unter die lupe und unterziehen sie diversen tests. so stellen verbundpartner aus den basischemikalien beispielsweise hochwertige polyurethan-hartschäume her, die sich unter anderem als isolationsmaterial für den bausektor eignen. kurzum: der nachwachsende rohstoff lignin kann in vielerlei hinsicht das fossile erdöl ersetzen.

weiter.vorn 2.18 bioökonomie - 33 in der durchflussanlage werden kontinuierlich substanzen dem wasser zugefügt. © fraunhofer ime lebenszyklustests mit zebrabärblingen. © fraunhofer ime können sie das an einem beispiel festmachen? teigeler: wir haben vor zwei jahren gemeinsam mit dem umweltbundesamt einen lebenszyklustest mit dem zebra- bärbling vorgeschlagen, den »zebrafish extended one genera- tion reproduction test«. so ein fischlebenszyklustest ist extrem aufwendig, das umfangreichste testverfahren mit fischen. wir vom fraunhofer ime waren als experten bei der oecd geladen und haben zusammen mit dem umweltbundesamt dafür plädiert, den test in eine oecd-richtlinie zu überführen. warum haben sie dieses testverfahren vorgeschlagen? es gibt doch schon ein oecd-testverfahren mit dem japanischen reiskärpfling. schäfers: der versuch mit dem zebrabärbling ist deut- lich artgerechter und mit erheblich geringeren kosten zu verwirklichen. wir müssen zum beispiel keine aufwendige geschlechtsbestimmung vornehmen und auch sonst weniger eingreifen. gleichzeitig ist der versuch ebenso empfindlich. wie wird so eine anfrage in den oecd- gremien entschieden? schäfers: der antrag wird in der zuständigen sitzung der gremien verhandelt. dann werden alle nationalen koordina- toren gebeten, dort zu kommentieren. je mehr zustimmung man findet und je mehr länder interesse bekunden, desto wahrscheinlicher ist es, dass die anfrage in den oecd- arbeitsplan übernommen wird. teigeler: neben den oecd-mitgliedern diskutieren außer- dem noch vertreter der industrie und vertreter von tier- schutzorganisationen mit. wenn eine tierrechts-ngo zum beispiel findet, dass bei bestimmten versuchen zu viele tiere eingesetzt werden, dann wird das im gremium diskutiert. beide gruppen, also sowohl industrie als auch der tierschutz, dürfen mitdiskutieren, haben aber kein stimmrecht. was bringt dem fraunhofer ime die arbeit in oecd-gremien? schäfers: wir nehmen an den diskussionen teil und erfahren die unterschiede der rechtlichen und wissenschaftlichen kulturen der beteiligten nationen, industrieverbände und ngos. das hilft uns bei der weiteren verbesserung von testverfahren und erhöht unsere glaubwürdigkeit als neu- trale wissenschaftsorganisation. dies gilt für richtlinien auf verschiedensten themengebieten. so sind wir in der »oecd working party on manufactured nanomaterials« vertreten, die auf die umweltsicherheit von nanomaterialien abzielt, aber auch in den expert groups »fish bioaccumulation« oder »adverse outcome pathways«. diese gremien haben zum ziel, die anzahl an tierversuchen deutlich zu verringern. teigeler: wenn man in einem oecd-gremium sitzt, ist das natürlich eine tolle plattform für uns als fraunhofer ime. wir stehen am ende einer validierung dann als autoren unter dem papier, das ist eine hervorragende empfehlung für uns. der positive sekundäreffekt ist der, dass in der folge konkrete anfragen von firmen kommen, ob wir studien für sie ma- chen können. sie kommen zu uns, weil sie wissen, dass wir die expertise haben.

weiter.vorn 2.18 energie - 35 mehrlagiger elektroden- stapel. © fraunhofer ifam rem-aufnahme der lithi- um-schicht im querschnitt. © fraunhofer iws 10µm »betrachtet man nicht nur die zelle, sondern das gesamtsys- tem batterie inklusive kühlung, gehäuse, leistungselektronik und vieler weiterer notwendiger komponenten, dann erkennt man ein beachtliches verbesserungspotenzial«, sagt jens tübke. dr. kai-christian möller, der stellvertretende sprecher der fraunhofer-allianz batterien, ergänzt: »mit der breiten ex- pertise und langjährigen erfahrung von 19 instituten decken wir die ganze wertschöpfungskette ab, von der entwicklung innovativer materialien und dem optimalen aufbau der batteriezellen über die effiziente fertigung bis zum sicheren betrieb. außerdem verfügen wir über zahlreiche patente und lizenzen.« durch die konsequente ausrichtung auf die be- dürfnisse der industriekunden können die fraunhofer-institute sehr effizient maßgeschneiderte lösungen entwickeln. weil die realisierbarkeit von konzepten immer im vordergrund steht, findet eine starke rückkopplung zwischen material-, prozess- und fertigungstechnologie statt. lithium-ionen-akku ist nur der oberbegriff für eine vielzahl an möglichen kombi- nationen von materialien für anode, kathode und separator. meistens wird für die kathode, also die positive elektrode, lithium-cobaltoxid benutzt, aber auch lithium-manganoxid und lithium-eisenphosphat sind verbreitet. je nach material- kombination unterscheiden sich die eigenschaften teilweise deutlich. »leistungsfähige akkus auf lithium-ionen-basis haben den markt maßgeblich um die jahrtausendwende erobert. richtig großformatige zellen gibt es erst seit wenigen jahren. die technologie ist also noch verhältnismäßig jung und keineswegs ausgereizt«, erklärt jens tübke. die entwicklung von innovativen materialien steht am an- fang, denn sie ermöglichen höhere speicherkapazität, lang- lebigkeit und sicherheit. »ein aktueller entwicklungstrend auf der anodenseite ist zum beispiel die zugabe von silizium zum heute eingesetzten graphit, um die kapazität zu erhöhen. auf der kathodenseite geht es um eine weitere kostenreduk- tion der materialien, zum beispiel durch weitestgehenden verzicht auf cobalt oder auch um die erhöhung der kapazität durch entwicklung nickelreicher materialien«, beschreibt der elektrochemiker tübke zwei entwicklungspfade. neue generation festkörperakku an festkörperbatterien, den vielbeschworenen »superakkus«, wird weltweit fieberhaft geforscht. bei ihnen bewegen sich die ladungen zwischen anode und kathode nicht durch einen flüssigelektrolyten, sondern durch einen festkörper – ein polymer, eine keramik oder ein glas. das macht sie unempfindlich gegenüber temperaturschwankungen, nichts kann brennen oder auslaufen. sie können deutlich höhere energiedichten erreichen, sind leicht und lassen sich schnell aufladen – sind also die idealen kraftpakete für elektroautos. 20 µm dünner lithium- film auf vorbehandelter kupferfolie. © fraunhofer iws um konzepte für sichere und leistungsstarke festkörperbatte- rien auf ihre realisierbarkeit zu untersuchen, haben sich das fraunhofer-institut für chemische technologie ict, das for- kleinserienfertigung von anoden und kathoden. © fraunhofer isc

weiter.vorn 2.18 gründerwelt - 37 spin-offs flower-power wer kennt sie nicht, die bilder von riesigen sonnenblumenfel- dern? man findet sie in frankreich und spanien, in osteuropa – vereinzelt auch in deutschland. in der hauptsache liefern sonnenblumenkerne öl. dazu werden teilgeschälte kerne bei hohen temperaturen verarbeitet. »rund die hälfte wird zu öl, die andere hälfte, bestehend aus wertvollen ballaststoffen und proteinen, wurde durch die verarbeitung stark geschädigt und kann nur noch als tierfutter eingesetzt werden«, erklärt thomas stuchly von der elosun gmbh, einem spin-off des fraunhofer-in- stituts für verfahrenstechnik und verpackung ivv in freising. das könnte sich bald ändern: die ivv-experten haben ein verfahren entwickelt, mit dem sich aus geschälten sonnenblumenkernen eine funktionale zutat mit wertvollen ballaststoffen und protei- nen für die lebensmittelindustrie gewinnen lässt – sunbloom®. im veränderten prozess werden die samen komplett geschält, gleichzeitig wird konsequent auf eine schonende verarbeitung bei geringen temperaturen geachtet. das so gewonnene pflan- zenprotein ist weitestgehend geruchs- und geschmacksneutral, vegan, frei von allergenen und gentechnisch modifizierten organismen. »dies bietet zusammen mit der starken sensorik und dem positiven image der sonnenblume deutliche vorteile im vergleich zu sojabohne oder erbse«, erläutert stuchly. in zahlreichen tests konnte sunbloom mit seinen vielfältigen ein- satzmöglichkeiten bereits bei namhaften lebensmittelherstellern überzeugen. »das protein ist ein ausgezeichneter emulgator und kann als ei- ersatz dienen. so wurde etwa eine pflanzliche und allergenfreie mayonnaise entwickelt. zudem wurden mittels sunbloom er- folgreich fleisch- oder milchersatz, eiscreme, brotaufstriche und backwaren, wie zum beispiel muffins, hergestellt«, sagt stuchly. derzeit wird das protein am ivv in einer testanlage gewonnen. allerdings ist das produkt noch nicht lebensmittelzertifiziert. um die kommerzielle produktion auf den weg zu bringen, wurde im april 2017 die elosun gmbh ausgegründet. der nächste schritt ist nun der aufbau einer eigenen produktionsanlage in europa. dazu führt stuchly gerade verhandlungen mit verschiedenen potentiellen partnern. thomas stuchly www.elosun.de energieeffizienz messbar machen die techniker waren ratlos: die klimaanlage des restaurants schaffte es an warmen tagen nicht, für ausreichend kühlung zu sorgen. der besitzer beschloss, die anlage austauschen zu lassen. »wir wurden dazu gerufen, als experten bereits ein jahr lang nach ursachen gesucht hatten«, erzählt dr. gabriel morin von der messeffekt gmbh, einem spin-off aus dem fraunhofer- institut für solare energiesysteme ise in freiburg. »anhand der messwerte erkannten die techniker das problem sofort. die heiz- anlage heizte seit jahren rund um die uhr auf voller leistung und arbeitete folglich – vor allem im sommer – gegen die kühlung. statt 110 000 euro für eine neue lüftungsanlage fielen nur 900 euro für die reparatur an, die jährlichen energiekosten konnten um 22 000 euro gesenkt werden«, sagt morin. mit ihrem cloudbasierten, mobilen und modular aufgebauten energie-messsystem spüren morin und sein kollege dr. anton neuhäuser ineffizienzen und betriebsprobleme in industrieanla- gen oder in großen gebäuden auf. die energieeffizienz-experten setzen dafür selbst entwickelte messgeräte ein sowie die soft- ware mondas, die das ise mit einer softwarefirma entwickelt hat und die heute von einem gleichnamigen spin-off vertrieben wird. die modularen messboxen sind größtenteils kabellos und lassen sich flexibel zusammenstellen. mit der software mondas lassen sich alle energieverbräuche – strom, wärme, kälte, luft – sowie zusätzliche messgrößen live im laufenden betrieb erfassen und auswerten. neuhäuser hatte schon während seiner anstellung am ise die marktlücke erkannt und die entwicklung begonnen: »denn einheitliche messsysteme für energie-effizienzanalysen gab es bis dahin nicht«, erklärt morin. und als die solarindustrie am boden lag, entschieden sich die beiden früheren ise-mitarbeiter für den weg in die selbstständigkeit und gründeten im herbst 2017 die messeffekt gmbh. »unser besonderer fokus liegt derzeit auf der lüftungstechnik. das energieeinsparpotenzial sowie das standardisierungspotenzi- al für unsere produkte und dienstleistungen sind hier besonders hoch«, erläutert morin. die kunden erhalten sofort lösungen für ihr anliegen, oft begleiten die experten dann auch die umsetzung. außerdem verkauft und vermietet messeffekt das messsystem. dr. gabriel morin, dr. anton neuhäuser www.messeffekt.de

projektleiter dr. buren scharaw erläutert den lokalen fachleuten die funktionsweise einer kleinkläranlage. weiter.vorn 2.18 energie - 39 automatisierte bezahlung am wasserkiosk. das einzugsgebiet des flusses kharaa. marode leitungen und pumpensysteme haben in den letzten jahren in vielen regionen des landes die lebensbedingungen der bevölke- rung verschlechtert. durch die zunehmende industrialisierung und intensive bergbau- und landwirtschaftsaktivitäten sind grundwasser und flüsse verschmutzt. extreme jahreszeitliche temperaturdifferenzen und die auswirkungen des bevölkerungswachstums erschweren die situation zusätzlich. der institutsteil ange- wandte systemtechnik des iosb koordiniert das arbeitsfeld »siedlungswasserwirtschaft« des vor- habens. derzeit läuft die phase iii des projekts, dessen fraunhofer-anteil mit 2,9 mio euro vom bundesministerium für bildung und forschung bmbf gefördert wird. die ausgewählte, beispielhafte region, in der das team umweltmonitoring und innovative wassertechnologien installiert, ist das einzugs- gebiet des flusses kharaa und darkhan, eine typische mongolische industriestadt: rund die hälfte der 100 000 einwohner wohnt in festen häusern, die andere in jurten am stadtrand. die- se siedlungen sind ohne trinkwasseranschluss. hier beziehen die bewohner ihr trinkwasser in der regel über wasserkioske. eine abwasserka- nalisation fehlt ebenfalls. neue trinkwasserleitungen und kläranlagen dr. buren scharaw reist seit 2006 immer wieder in die mongolei, um die trinkwasserversorgung vor ort langfristig zu sichern. in phase i des vorhabens wies der mongole mithilfe von moni- toringsystemen trinkwasserverluste von über 50 prozent im wasserverteilnetz von darkhan nach. »große mengen des trinkwassers versickern ungenutzt im boden. wegen der extremen minustemperaturen im winter befinden sich die leitungen in einer tiefe von 4,5 bis 5 metern. in diesen tiefen lecks zu orten, ist schwierig«, so scharaw. mithilfe der eigens entwickelten wassermanage- ment-software hydrodyn wurde das verteilnetz modelliert, hydraulisches fließverhalten, wasser- geschwindigkeit und -druck ließen sich simulie- ren. das simulationsmodell ermöglicht einblicke in den prozess an stellen, für die keine mess- werte vorhanden sind. mithilfe verschiedener methoden wie messwert-monitoring, volumen- und massenbilanzen sowie vergleichen zwischen gemessenen und simulierten werten wurden lecks erkannt. in kombination mit im leitungs- netz installierten sensoren spürten die forscher die undichten stellen auf und senkten die trink- wasserverluste von 50 prozent auf 25 prozent und minimierten somit die betriebskosten. »in

weiter.vorn 2.18 international - 41 leichtbau- lösungen gemeinsam in die zukunft: im fraunhofer project center for composites research entwickeln experten des fraunhofer-instituts für chemische technologie ict in ko- operation mit materialforschern am renommierten südkoreanischen ul- san national institute of science and technology unist faserverbund- werkstoffe für leichtbauanwendun- gen in der automobilindustrie. das project center, das nur 14 kilometer vom zentrum der industriemetro- pole ulsan entfernt ist, wurde 2016 gegründet, die ulsan metropolitan city investierte 15,5 mio euro in den aufbau. neue technologien für eine nach- haltige mobilität sind in südkorea gefragt. das land gilt als technolo- gischer vorreiter bei der emissions- verringerung, gewichtsreduzierung und elektrifizierung von fahrzeugen. der wichtigste industriestandort ist dabei ulsan, hier ist unter anderem eines der weltgrößten automobil- montagewerke angesiedelt. gemeinsam arbeiten deutsche und südkoreanische forscher jetzt an verarbeitungsprozessen für faserverbundwerkstoffe, neuen werkstofflösungen und der über- führung von leichtbaulösungen in die großserie. mit dem project center bekommt fraunhofer zugang zu einem innovativen wachstumszentrum der automobilindustrie in asien sowie einblicke in dortige marktentwick- lungen. dieser know-how-zuwachs kann zum direkten nutzen der deut- schen und europäischen kunden eingesetzt werden und ihnen den markteintritt in korea erleichtern. open innovation plattform mit der agenda 2030 haben sich die vereinten nationen ehrgeizige ziele gesetzt: armut und hunger sollen überwunden, der frieden auf der welt soll gestärkt und eine nachhaltige entwicklung eingeleitet werden. die neue sustainable de- velopment agenda definiert hierfür 17 verschiedene aktionsbereiche, darunter erneuerbare energie, eine verbesserung der infrastruktur und der bildungschancen sowie den zugang zu sauberem trinkwasser. mit einer open innovation plattform will fraunhofer zum erreichen dieser ziele beitragen: »die plattform ermöglicht ein schnelles matchma- king zwischen kompetenzen und know-how der fraunhofer-institute und unternehmen sowie start-ups in strukturschwachen regionen, die keinen zugang zu forschung- und entwicklungsdienstleistungen haben«, erklärt dominik reinertz vom team für internationale ge- schäftsentwicklung bei fraunhofer. über die webseite, die sich derzeit im aufbau befindet, sollen künftig lösungsansätze entwickelt werden, in denen wissenschaftliche for- schungsergebnisse mit kenntnissen über die regionalen gegebenheiten und die speziellen bedürfnisse der menschen vor ort zusammenflie- ßen. die plattform soll nicht nur helfen, kooperationspartner zu fin- den, sondern auch die koordination von projekten und die suche nach geeigneten finanzierungsmodellen erleichtern. anlässlich der gene- ralversammlung der waitro, der world association of industrial and technological research organiza- tions, soll die digitale plattform im september online gehen. im aufwind china setzt zunehmend auf wind- kraft. in küstennähe werden immer mehr offshore-anlagen gebaut. in der provinz fujian plant die china three gorges corporation fujian branch ctg den bau von zwei windparks, die zusammen 2,8 giga- watt liefern sollen. fraunhofer-tech- nik sorgt jetzt dafür, die windbedin- gungen präzise zu vermessen und so den stromertrag zu berechnen. zwei lidar-bojen des fraunhofer- instituts für windenergiesysteme iwes sind bereits in china einge- troffen. die schwimmende lidar- technik – die abkürzung steht für light detection and ranging – ermöglicht die messung der wind- geschwindigkeit über dem meer bis in 200 meter höhe. ein laserstrahl, der von der boje ausgesendet und von den partikeln in der atmo- sphäre reflektiert wird, ermittelt die geschwindigkeit der luftpartikel, der aerosole. die installation der bojen, die durchführung der mes- sungen und die datenauswertung übernimmt im auftrag von ctg das chinesische unternehmen titan technologies corporation. »wir arbeiten schon seit einigen jahren mit fraunhofer zusammen und schätzen die solide erprobten methoden, die auch bei komplexen einsatzbedingungen sehr gut imple- mentierbar sind«, erklärt john feng, vorsitzender der titan technologies corporation und einer der kurato- ren des iwes. die zusammenarbeit mit dem chinesischen koopera- tionspartner ist für fraunhofer in mehrfacher hinsicht vielverspre- chend: titan technologies corpora- tion kann die erfahrungen mit der neuen technik im asiatischen raum weiterverbreiten. messkampagnen verbessern zudem die industrielle akzeptanz der technologie. sicherheit im cyberspace wie lassen sich daten und it-syste- me vor unbefugten zugriffen und angriffen schützen? diese frage wird für privatleute und unterneh- men immer wichtiger. lösungen für cybersicherheit sind daher gefragt. um die erfolgschancen von start- ups zu verbessern, hat jetzt das fraunhofer-institut für sichere in- formationstechnologie sit in darm- stadt zusammen mit der hebrew university of jerusalem in israel eine initiative ins leben gerufen: der hessisch-israelische partnership accelerator hipa ermöglicht jungen forscherinnen und forschern aus deutschland und israel, gemeinsam lösungen für praktische sicher- heitsprobleme aus wirtschaft und gesellschaft zu entwickeln. israel ist bekannt für zahlreiche erfolgreiche start-ups, zudem zählt die hebrew university beim thema cybersicherheit zu den führenden universitäten. das sit ist mitglied des darmstädter centers für re- search in security and privacy crisp, der größten forschungseinrichtung für angewandte cybersicherheits- forschung in europa. die jungen expertinnen und ex- perten, die an dem dreimonatigen programm teilnehmen, erhalten nicht nur ein fachliches und metho- disches training und mentoring, sondern lernen auch, wie sich die unterschiedlichen herangehens- weisen in deutschland und israel kombinieren lassen. bis ende mai können sich studenten noch für den zweiten hipa-durchgang be- werben. weitere informationen: www.cybertech.fraunhofer.de

mehr prozessorleistung: doppelt kühlt besser hochleistungsprozessoren mit mikrokanälen kühlen weiter.vorn 2.18 mikroelektronik - 43 mehr prozessorleistung: doppelt kühlt besser die integration von mikro- kanälen in den silizium- interposer erlaubt es erst- mals, einen prozessor auch von der unterseite effektiv zu kühlen und dadurch die rechenleistung zu erhö- hen. © fraunhofer izm einer der limitierenden faktoren für die rechen- leistung von prozessoren ist die betriebstemperatur. fraunhofer-forschende haben eine effektive kühlmethode entwickelt: mit mikrokanälen lassen sich hochleistungs- prozessoren nun erstmals von der unterseite her kühlen. text: thomas eck wird ein prozessor zu heiß, drosselt er takt- frequenz und betriebsspannung. mit unange- nehmen folgen: entweder sinkt die rechenge- schwindigkeit oder der prozessor schaltet sich ganz ab, um cpu und mainboard vor schäden durch die hitze zu schützen. die kühlung der prozessoren ist daher ein wichtiger faktor, wenn es um die rechenleistung geht. bisher leiten meist kühlkörper die hitze von den prozessoren ab. gleichzeitig werden die wärmeempfindli- chen bauteile von oben mit lüftern gekühlt. ein forscherteam um dr. wolfram steller, dr. hermann oppermann und dr. jessika kleff vom fraunhofer-institut für zuverlässigkeit und mikrointegration izm in berlin und dresden hat nun einen weg gefunden, mikrochips mit einem flüssigkeitsbasierten kühlsystem sowohl von der oberseite als auch von der unterseite zu kühlen. das ermöglicht eine effektivere kühlung und damit mehr leistung. mikrokanäle kreuz und quer um zusätzliche kühlung zu erreichen, bauen die forschenden mikrokanalstrukturen mit hermetisch versiegelten durchgangskontakten in den silizium-interposer ein. interposer sind für die elektrische versorgung und die küh- lung des prozessors zuständig, liegen wie eine schicht zwischen leiterplatte und chip und sind von oben nach unten alle 200 mikrometer von elektrischen kontakten durchzogen, die die stromversorgung und datenübertragung des prozessors gewährleisten. um hitze vom prozessor weg zu transportieren, haben die izm-wissenschaftler quer zu den durchkontak- tierungen mikrofluidkanäle eingebaut, durch die das kühlmittel fließt. die besondere herausforderung war nicht nur, die kleinen kanäle in den interposer einzubauen, sondern diese auch hermetisch abzudichten und so von den elektrischen bahnen zu trennen. die lösung: der interposer wird aus zwei silizium- platten gefertigt. in diese werden sowohl die horizontal verlaufenden kühlkanäle als auch die vertikal verlaufenden kanäle für die elektrischen leitungen komplementär eingearbeitet. die kontakte sind speziell versiegelt, um einen kon- takt des wassers mit den elektrischen durchkon- taktierungen auszuschließen. »bislang gehen die kühlstrukturen nicht so nah an den rechnerkern selbst. das heißt, die kühler sind meist additiv von oben aufgebracht«, erklärt dr. hermann oppermann, gruppenleiter am fraunhofer izm. »je näher man mit der küh- lung aber an die hitzequelle geht, desto besser kann die temperatur begrenzt beziehungsweise die leistung erhöht werden. gerade beim high performance computing gibt es immer höhere datenraten. entsprechend wichtig ist eine effek- tive kühlung, die eine hohe taktrate gewähr- leistet. bisherige kühlsysteme sind in diesem zusammenhang begrenzt. das neue kühlsystem kann die leistung deutlich erhöhen.« mehr als nur kühlung als wäre das kühlsystem nicht genug, haben die fraunhofer-forschenden zusätzlich auch vol- tageregulatoren für die spannungsversorgung sowie optoelektronische bauteile zur datenüber- tragung in den interposer integriert. während der spannungsregler den prozessor mit der passenden betriebsspannung versorgt, wandelt die optoelektronik elektrische signale aus dem prozessor in lichtsignale um. dadurch können auch große datenmengen verlustarm mit hoher signalqualität übertragen werden – im gegensatz zu kupferleitungen, in denen die verluste mit wachsender datenrate zunehmen. hermann oppermann sieht in der entwicklung ein großes potenzial: »mit dem zusammenfassen von interposer, kühlung, voltageregulatoren und optischer verbindungs- technik haben wir eine neue stufe der integra- tion erreicht, die kleinere schaltkreise mit mehr leistung ermöglicht.«

weiter.vorn 2.18 mikroelektronik - 45 spektrometer. als ausgangslaser verwenden die forscher einen phasenstabilen titan-saphir-laser. seinen laserstrahl verändern sie in der ersten komponente: durch vorverstärker und verstärker schrauben sie die leistung von 300 mikrowatt auf 110 watt hoch – steigern sie also auf das millionenfa- che. zum anderen verkürzen sie die pulse. dazu wenden die forscher einen trick an: sie schicken den laserstrahl mehrere zig male durch einen festkörper, der das spektrum verbreitert. schiebt man diese so erzeugten neuen frequenzanteile des pulses nun wieder zusammen – kombiniert also alle frequen- zen phasenrichtig – verkürzt sich die pulsdauer. »zwar war die- ses verfahren bereits vorher bekannt, allerdings konnte man die pulsenergie, die wir hier brauchen, vorher noch gar nicht komprimieren«, sagt dr. peter rußbüldt, gruppenleiter am ilt. energie erhöhen das laserlicht, das die erste komponente verlässt, hat bereits eine sehr kurze pulsdauer. die energie seiner photonen reicht allerdings noch nicht aus, um elektronen aus dem festkörper herauszuschlagen. in der zweiten komponente steigern die forscher die photonenenergie und verkürzen die pulsdauer der laserstrahlen daher abermals in einem resonator. spiegel lenken das laserlicht im resonator mehrere hundert male im kreis herum. jedes mal, wenn das licht den anfangspunkt erneut passiert, wird es mit frischer laserstrahlung aus der ersten komponente überlagert –, und zwar so, dass sich die leistung der beiden strahlen addiert. diese im resonator eingesperrte strahlung erreicht so große intensitäten, dass in einem gasjet erstaunliches passiert – hochenergetische xuv- attosekundenpulse mit einem vielfachen der frequenz des laserstrahls werden erzeugt. so weit, so gut. doch wie bekommt man die hochenergeti- schen xuv-attosekundenpulse aus dieser gefangenschaft im resonator wieder heraus? hier haben sich die forscher des ilt einen weiteren trick einfallen lassen. »wir haben einen speziellen spiegel entwickelt, der zum einen die hohen leis- tungen aushält, zum anderen ein winzig kleines loch in der mitte hat«, erläutert rußbüldt. der clou dabei: das strahlen- bündel der erzeugten hohen harmonischen, so nennt man die hochenergetischen laserstrahlen, ist kleiner als das der anderen umlaufenden wellen. während die weniger ener- getischen lichtstrahlen weiterhin auf den spiegel treffen und im kreis gelenkt werden, ist das hochenergetische strahlen- bündel so schlank und schmal, dass es durch das loch in der mitte des spiegels hindurchschlüpft, die zweite komponente verlässt und in den probenraum in der dritten komponente umgelenkt wird. der prototyp des photoelektronenspektrometers ist fertig, er befindet sich am garchinger max-planck-institut. dort wird er für untersuchungen genutzt und gemeinsam mit den fraun- hofer-forscherinnen und -forschern optimiert. die einzelnen schlüsseltechnologien, die die forscher für das spektrometer entwickelt haben, lassen sich zudem auch in vielen anderen anwendungen einsetzen. hauptverstärkerstufen des faserlasersystems: hier werden hohe pulsenergien erzeugt. © fraunhofer iof, marco plötner edelgas-befüllte druck- kammer mit lichtfüh- render hohlkernfaser. das gas und das licht interagieren miteinander. die folge: das optische spektrum verbreitert sich, die pulse werden kürzer (30 fs). © fraunhofer iof, walter oppel strahlquellenparameter lassen sich über einen solchen langen zeitraum nicht ausreichend stabil halten. zehn sekunden statt fünf stunden forscherinnen und forscher der fraunhofer-institute für ange- wandte optik und feinmechanik iof und für lasertechnik ilt haben gemeinsam mit ihren kollegen des max-planck-instituts für quantenoptik erstmals ein photoelektronenspektrometer entwickelt, das nicht im kilohertz-bereich, sondern bei 18 megahertz arbeitet. das heißt: es treffen mehrere tausend mal mehr pulse auf die oberfläche als in herkömmlichen spektro- metern. das wirkt sich drastisch auf die zeit aus, die für eine solche messung benötigt wird. »messungen, die vorher fünf stunden gedauert haben, führen wir nun in zehn sekunden durch«, sagt dr. oliver de vries, wissenschaftler am iof. laserpulse verstärken und verkürzen das entwickelte spektrometer besteht aus drei hauptkom- ponenten: dem ultrakurzpuls-lasersystem, dem überhö- hungsresonator und der probenkammer mit dem eigentlichen

weiter.vorn 2.18 sicherheit - 47 drohnen werden immer leistungsfähiger: flughöhe, reichweite, ausdauer, fluggeschwin- digkeit und navigationspräzision steigerten sich in den vergangenen jahren zusehends. und sie können immer mehr masse transportieren. zudem sind drohnen billig, leicht zu beschaffen oder als bausatz erhältlich. kein wunder, dass sie im gewerblichen wie auch im privaten bereich immer beliebter werden. die deutsche flugsi- cherung geht davon aus, dass bis zum jahr 2020 die zahl der drohnen in deutschland auf über eine million steigen werde. hauptanwendung ist filmen und fotografieren aus der luft – und künftig vermutlich auch die logistik: »vor allem bei der auslieferung von paketen ›auf der letzten meile‹ bis zum kun- den erleben wir einen radikalen wandel, was gleichzeitig den straßenverkehr entlasten wird. ebenso wird die logistik in fabrikhallen und auf fabrikgeländen sich mit transportdrohnen die dritte dimension erschließen«, sagt prof. jürgen beyerer, vorsitzender des fraunhofer-verbunds verteidigungs- und sicherheitsforschung und in- stitutsleiter am fraunhofer-institut für optronik, systemtechnik und bildauswertung iosb. gleichzeitig steigt auch die zahl der zwischen- fälle: drohnen dringen in flugverbotszonen ein, etwa am flughafen oder bei großereignissen wie rock-festivals und fußballspielen. häufig nehmen sie auch widerrechtlich videos und fo- tos von personen oder gebäuden auf. besonders gefürchtet sind gezielte terroristische angriffe mithilfe von drohnen. bmbf-förderung der zivilen sicherheit das bundesministerium für bildung und forschung fördert im programm »forschung für die zivile sicherheit« auch vier projekte mit fraunhofer-beteiligung zur abwehr unbe- mannter flugsysteme: ambos, argus, oras und midras. in einem eigenprojekt modeas entwickelt das iosb ein flexibel anpassbares system, das je nach bedarf über hochauflösende optische rundumsicht-sensoren zur ersterken- nung und tracking-einheiten mit optischen tele-zoom-kameras, richtmikrofonen und laser- entfernungsmessern verfügt (siehe infokasten). insbesondere drei technische bereiche spielen bei der drohnenabwehr eine große rolle: radar- technik und optronik zur signal- und bildge- winnung, datenfusion und bildauswertung zur aufbereitung und informationsgewinnung aus bildern und videos, mensch-maschine-schnitt- stellen sowie die systemtechnik zur entwicklung komplexer systeme. »wirklich leistungsfähige detektions- und klassifikationssysteme könnten in ein bis zwei jahren zur verfügung stehen, wobei der drohnenmarkt sehr dynamisch ist und man sich auch auf technische überraschungen gefasst machen muss. bis auf spezielle szenarien werden abwehrmaßnahmen wohl noch längere zeit durch sicherheitskräfte durchgeführt«, schätzt prof. jürgen beyerer die entwicklungszeit für wirksame abwehrsysteme ein. sensoren der zukunft zukunftsfähige drohnenabwehr-systeme müs- sen resilient – sehr belastbar – sein und über eine offene architektur verfügen für neuartige sensoren wie zum beispiel ein laser-vibrometer, das drohnen aus großer entfernung erkennen kann. dabei werden vibrationen auf der basis des doppler-effekts erfasst. weist das modulier- te frequenzspektrum charakteristische merkma- le auf, kann man durch den vergleich mit einer zuvor erstellten datenbank die drohne identifi- zieren und feststellen, ob diese eine ladung mit sich trägt. der »laser-gated-viewing-sensor« blendet visuelle störungen aus. drohnen sind dadurch auch bei schlechten sichtverhältnissen detek- tierbar, etwa bei nacht oder wenn sie hinter büschen, in rauch oder nebel verborgen sind. die funktionsweise des sensors besteht aus dem zusammenspiel von gepulstem laserstrahl im nanosekundenbereich und kameras mit einem zeitlich genau einstellbaren verschlussintervall. dadurch wird das angepeilte ziel sowohl vom hintergrund separiert als auch der vordergrund ausgeblendet. intelligente schwarmdrohnen bmbf-projekte »forschung für die zivile sicherheit« und iosb-eigenprojekt modeas – abwehr von unbemannten flugobjekten für behörden und organisationen mit sicherheitsaufgaben (ambos) https://www.sifo.de/files/projekt umriss_ambos.pdf – assistenzsystem zur situationsbewussten abwehr von gefahren durch uas (argus) https://www.sifo.de/de/argus-assistenz system-zur-situationsbewussten- abwehr-von-gefahren-durch-uas-2284. html – sensorgestütztes überwachungs- und alarmierungssystem zur detektion und verfolgung unbemannter flugsysteme (oras) https://www.sifo.de/files/projekt umriss_oras.pdf – mikro-drohnen-abwehr-system (midras) https://www.sifo.de/files/projekt umriss_midras_c3.pdf – modulares drohnenerfassungs- und assis- tenzsystem (modeas) https://www.iosb.fraunhofer.de/servlet/ is/73426/ weitere informationen: http://s.fhg.de/drohnenabwehr interview mit prof. jürgen beyerer: http://s.fhg.de/interview-prof-beyerer ten sich die autonom agierenden minidrohnen wie ein kollektiver organismus, der sich selbst steuert. mithilfe komplexer steueralgorithmen lernen drohnen wie ein vogelschwarm in formation zu fliegen, hindernissen auszuweichen und ziele selbstständig zu verfolgen. zu welchen leistun- gen die kleinen flugroboter fähig sind, zeigen versuche des us-verteidigungsministeriums, das bereits im oktober 2016 einen schwarm aus 103 mikrodrohnen in kalifornien zur aufklärung eines terrains erfolgreich testete. dabei verhiel- »diese beispiele zeigen, wie wichtig die interdisziplinäre zusammenarbeit von wissen- schaft, wirtschaft und staat auf dem gebiet der sicherheitsforschung ist. nicht nur die technik, auch rechtliche und ethische fragen spielen eine große rolle, wenn es darum geht, innovati- ve entwicklungen in anwendungsorientierte lösungen zu überführen«, betont prof. jürgen beyerer.

weiter.vorn 2.18 sicherheit - 49 einer entsprechenden lichtquelle, erhalten wir eine sehr starke charakteristische rückstreuung«, schildert dr. ralf ostendorf, leiter des geschäfts- felds »halbleiterlaser« am fraunhofer-institut für angewandte festkörperphysik iaf in freiburg. einzigartig wie ein fingerabdruck halbleiterlaser wie der quantenkaskadenlaser emittieren wellenlängen im mittleren infrarot. »die leistung beziehungsweise die intensität pro wellenlänge ist dabei sehr hoch. diese art von lasern erzeugt ein sehr breites band an spektrallinien, sprich sehr viele informationen zum absorptionsverhalten einer substanz. mit- hilfe dieser hohen spektralen brillanz sind rasch sehr exakte rückschlüsse möglich – ähnlich einem menschlichen fingerabdruck«, erklärt ostendorf. weitere vorteile der lasertechnologie für mir-anwendungen: ihre kleine bauart, fo- kussierbarkeit und fähigkeit, auch aus größerer entfernung zu messen. »das macht sie gerade für sicherheitsanwendungen interessant«, ergänzt ostendorf. die freiburger forscherinnen und forscher entwickeln gemeinsam mit dem fraunhofer-institut für photonische mikrosyste- me ipms in dresden spezielle, in ihrer wellen- läge besonders schnell abstimmbare quanten- kaskadenlaser, wie sie für die spektroskopische sensorik benötigt werden. dabei ist das iaf für den laserchip, das ipms für das miniaturisierte optische beugungsgitter verantwortlich. durch die drehung des gitters kann die wellenlänge kontinuierlich abgestimmt werden. sichere arzneimittel ihrer methode bereits zuverlässig die wirkstof- fe von alltagspillen für kopfweh und fieber ermittelt. »die technologie hat aus unserer sicht das potenzial, in der massenproduktion von arzneimitteln als echtzeitkontrolle zu fungieren. damit lassen sich fehlerhafte margen rasch aus- sortieren. die aufwendige und teure händische kontrolle im labor wäre obsolet. die techno- logie könnte aber auch eingesetzt werden, um medikamentenplagiate zuverlässig aufzuspü- ren«, fasst ostendorf den mehrwert zusammen. der forscher sucht jetzt industriepartner, um den ansatz weiterzuentwickeln. erste gesprä- che haben bereits stattgefunden. »im nächsten schritt wollen wir mit unserer sensorik auch einzelne substanzen einer wirkstoffmischung quantifizieren«, skizziert ostendorf zukünftige herausforderungen. verunreinigtes trinkwasser, sprengstoffe, gifte langsam zuckelt der koffer über das rollband. plötzlich heult ein schriller piepton auf: der infra- rot-scanner hat angeschlagen: sprengstoffspu- ren am gepäckstück! »was den menschlichen sinnen entgeht, das erkennt die rückstreuspek- troskopie – auch geruchslose kleinstspuren von chemischen substanzen«, sagt ostendorf. infrarotquelle, rückstreudetektor und software müssen für diese höchstleistung perfekt abge- stimmt sein. entscheidend ist, welche art von oberfläche untersucht wird: ist sie rau, glatt – all das hat auswirkung auf das rückstreuspektrum. spezielle algorithmen im messsystem berück- sichtigen diese vielfältigen aspekte und rechnen störsignale heraus. aktuell macht ostendorf seine laser-lupe fit für den einsatz in der pharmabranche. »unsere leis- tungsfähige rückstreuspektroskopie kann hier die qualität von medikamenten überprüfen«, sagt ostendorf. im labor haben die forscher mit die einsatzgebiete der infrarotspektroskopie im sicherheitsbereich sind vielfältig. im eu-projekt chequers entwickelt das fraunhofer iaf beispielsweise einen tragbaren auf quantenkas- kadenlasern basierenden detektor, der explosive oder toxische stoffe berührungslos aus sicherer entfernung erkennen kann. »zusammen mit kameratechnologien sind mit demselben kon- zept messentfernungen von bis zu 20 metern realisierbar. das macht sie für den anwender besonders sicher«, erklärt ostendorf. das projekt läuft noch bis 2019. einen ersten demonstrator haben die partner bereits erfolgreich entwickelt. planen unternehmen neue sicherheitslösungen auf basis von quantenkaskadenlasern, benöti- gen sie individuell zugeschnittene angebote. die eu-geförderte pilotlinie mirphab unterstützt sie bei der suche nach einem passenden system. kunden können sich im baukastenprinzip die bestmögliche lösung aus dem komponenten- portfolio der teilnehmenden forschungsinsti- tute und firmen zusammenstellen. »dank der eu-förderung halten sich die investitionskosten für neueste technologien in grenzen«, berichtet ostendorf. neben dem fraunhofer iaf und ipms ist das fraunhofer-institut für produktionstech- nologie ipt in aachen beteiligt. mit seinem know-how überführt es die herstellung des schnell abstimmbaren mir-lasers in industriell anwendbare produktionsabläufe. im eu-projekt aquarius untersuchen die projektpartner mithilfe von quantenkaskadenla- sern die qualität von trinkwasser. »hier kann die technologie gegenüber etablierten methoden zehn mal leistungsfähiger sein. ölpartikel bei- spielsweise lassen sich somit wesentlich genauer aufspüren«, weiß ostendorf. industrielle pro- duktionsprozesse, die globale bevölkerungszu- nahme und die wachsende verstädterung sind ursachen für wasserverunreinigungen. ziel von aquarius ist es, wassersysteme kontinuierlich im laufenden prozess zu überwachen. dadurch entfällt die zeitraubende manuelle probenent- nahme für laborbasierte wasseranalysen. forschungsprojekte chequers – portable, multiband mir-sensor platform for safety and security mirphab – mid infrared photonics devices fabrication for chemical sensing and spectro- scopic applications aquarius – broadband tunable qcl based sensor for online and inline detection of contaminants in water http://s.fhg.de/chequers www.mirphab.eu aquarius-project.eu

weiter.vorn 2.18 weltraum - 51 der track-while-scan-mo- dus ermöglicht gestra, aufgespürte objekte zu verfolgen und den welt- raum gleichzeitig nach weiteren zu durchsuchen. © fraunhofer fhr sehr schnell und flexibel nach objekten durchsucht werden. es lässt sich auch eine keule für die objektverfolgung abstel- len, während der rest unabhängig davon weiterhin suchen kann. dieser track-while-scan-modus ist optimiert für die an- wendung in der weltraumüberwachung«, erklärt ben bekhti. einzigartig ist, dass gestra extrem leistungsfähig und trotzdem mobil ist. per schwertransporter kann es an jeden beliebigen ort gebracht werden. »damit können wir auf ver- änderte umgebungsbedingungen reagieren«, so ben bekhti. sobald die integration der einzelnen komponenten in den sheltern abgeschlossen und alles erfolgreich getestet wurde, wird gestra im sommer 2019 an seinen aufstellungsort ge- bracht. »voraussichtlich wird gestra auf der schmidtenhöhe in koblenz installiert. das radarsystem wird an das weltraum- lagezentrum der bundeswehr im niederrheinischen uedem angebunden und kann von dort aus ferngesteuert werden«, kündigt wilden an. verwundbarkeitsanalysen und intelligentes design wenn zusammenstöße mit trümmerteilchen unvermeid- bar sind, helfen robuste materialien und schlaue designs, satelliten vor gravierenden schäden zu bewahren. die neue pirat software des fraunhofer-instituts für kurzzeitdynamik, ernst-mach-institut, emi in freiburg berechnet, ob das satel- litendesign oder einzelne bauteile gegen den einschlag von weltraumschrott gefeit sind. dabei bezieht pirat die flugbahn der geplanten mission und die hier zu erwartenden partikel- einschläge ein. kombiniert mit der experimentellen simulation wie verheerend trümmerteile im orbit sein können, mussten dr. ryan stone und matt kowalski alias sandra bullock und george clooney im film »gravity« leidvoll erfahren. auch in der realität beschädigt umherfliegender weltraumschrott satelliten und raumstationen. der amerikanische astronom donald kessler warnte bereits 1978 vor der gängigen praxis, große objekte wie ausgebrann- te raketenstufen, nutzlastverkleidungen oder ausgediente sa- telliten einfach im orbit zu lassen. denn jede kollision erzeuge eine vielzahl von trümmerteilen, die in einer kettenreaktion zu zahlreichen weiteren zusammenstößen führen. schließlich werde der erdnahe orbit unbenutzbar sein, auch trägerra- keten könnten ihn nicht mehr kollisionsfrei auf den weg in höhere orbits durchqueren – die raumfahrt wäre am ende. obwohl der weltraummüll seit den 1970er-jahren erheblich zugenommen hat, kann davon glücklicherweise noch keine rede sein. dennoch stellen umherfliegende trümmer eine ernste gefahr für alles dar, was sich im all bewegt. um ihnen ausweichen zu können, ist es wichtig zu wissen, wo sie unterwegs sind. sicher unterwegs dank gestra und tira »mithilfe des überwachungsradars gestra, das am fraun- hofer fhr entwickelt wurde, können im niedrigen erdorbit bis zu 3000 kilometer bahnhöhe objekte und trümmerteile zuverlässig detektiert werden«, sagt helmut wilden, team- leiter multifunktionale hochfrequenzsensorik am fraunhofer- institut für hochfrequenzphysik und radartechnik fhr in wachtberg bei bonn. während gestra große bereiche des weltraums rund um die uhr abscannen kann, beobachtet das fhr-radarsystem tira einzelne objekte genauer (siehe weiter.vorn-ausgabe 1.2018). »gestra kann unbekannte objekte aufspüren, ihre anzahl bestimmen und die flugbahnen berechnen. genauere informationen über größe, form oder mögliche schäden liefert tira.« die beiden komplementären radarsysteme ergänzen damit us-amerikanische bahnkataloge, die bisher als hauptinformationsquellen dienen. »die nasa gibt längst nicht alle ihrer daten preis, daher ist es wichtig, hier auf eige- ne messdaten zurückgreifen zu können. wir sind stolz, dass uns das dlr-raumfahrtmanagement im auftrag der bundes- regierung mit dieser hoheitlichen aufgabe betreut hat«, sagt dr. nadya ben bekhti, co-projektleiterin gestra am fhr. gestra besteht aus je einem sende- und empfangssystem, die von einer schützenden hülle, den sheltern, umgeben sind. »die antennentechnologie basiert auf dem phased- array-prinzip, also auf der bündelung der strahlungsenergie von zahlreichen einzelantennen. mithilfe der strahlenbündel, wir bezeichnen sie als keulen, können nicht nur große areale

weiter.vorn 2.18 weltraum - 53 liten entsteht, ins weltall entweicht. so können verschiedene funktionen in einem einzigartigen bauteil vereint werden.« in zukunft, ist sich schimmerohn sicher, werden additive ferti- gungsverfahren zunehmend in der raumfahrt eingesetzt – nicht anstelle von, sondern als sinnvolle ergänzung zu herkömmli- chen verfahren. »auch kleinsatelliten werden große satelliten nicht ersetzen, aber unsere möglichkeiten im all erheblich erweitern.« vor allem in der sammlung zusätzlicher daten und ihrer vernetzung sieht schimmerohn großes potenzial. zudem können viele kleinsatelliten zu größeren konstellationen zusam- mengeschaltet werden und so beispielsweise eine flächende- ckende erdbeobachtung in hoher qualität gewährleisten. kommission, die produktion und verwendung von ap zu verbieten. »mit unserem treibstoff, der in dem europäischen gemeinschaftsprojekt grail entwickelt wurde, bieten wir eine ap-freie und dabei genauso leistungsstarke alternati- ve«, sagt projektleiter dr. volker gettwert. er und sein team ersetzten ap durch ammoniumdinitramid (adn) – einen oxidator, der in den 1970er-jahren in sowjetischen laboren entwickelt wurde. »adn ist in großen mengen kommerziell verfügbar. das ist ein großer vorteil gegenüber eigenentwick- lungen, denn hier gibt es häufig probleme beim upscaling der volumina, also der umstellung von kleinen mengen im labor auf große in der produktionshalle. das kostet zeit und geld.« umweltfreundlich starten damit die erde unter der zunehmenden aktivität im welt- raum nicht leidet, haben forscher am fraunhofer-institut für chemische technologie ict in pfinztal bei karlsruhe jetzt einen raketentreibstoff entwickelt, der ohne das umwelt- und gesundheitsschädliche ammoniumperchlorat (ap) auskommt. ap wird in herkömmlichen treibstoffen als oxidator einge- setzt, der dafür sorgt, dass genügend sauerstoff für die verbrennung zur verfügung steht. das problem: als abfall- produkt entsteht tonnenweise salzsäure – beim start der europäischen ariane- oder vega-rakete rund 70 tonnen, bei den amerikanischen space-shuttle-raketen mehr als 80. die säure gelangt in die umwelt und führt in der umgebung der raketenabschussrampen zu saurem regen. auch ap selbst ist gefährlich: es stört den menschlichen hor- monhaushalt und führt zu verschiedenen, schwerwiegenden effekten in organismen. daher überlegt die europäische doch einfach ersetzen kann man ap nicht, denn mit dem neuen oxidator ändern sich die eigenschaften des herkömm- lichen treibstoffs. »adn brennt wesentlich schneller ab als ap. darauf müssen wir das treibstoffgemisch abstimmen. denn die brenngeschwindigkeit bestimmt die menge an gas, die erzeugt wird – und mehr gas erzeugt mehr schub für die rakete. der neue treibstoff muss auch die druckbelastung bei der zündung aushalten. wenn er risse bildet oder zerbrö- selt, entsteht plötzlich eine riesige oberfläche. dann brennt viel mehr als beabsichtigt, der druck in der brennkammer steigt und das ganze kann explodieren.« dem ict-team ist es gelungen, den neuen treibstoff so zu optimieren, dass er in seinen eigenschaften denen des her- kömmlichen treibstoffs entspricht. »das ist ein großer vorteil, weil die raketenantriebe nicht technisch verändert werden müssen, um den neuen treibstoff nutzen zu können. somit hat der treibstoff gute chancen, bald in der raumfahrt zum einsatz zu kommen.« für den transport lässt sich das kuppelförmige radom von gestra abnehmen und die antenne einfahren. © fraunhofer fhr

weiter.vorn 2.18 produktion - 55 aachen center for additive manufacturing (acam) wo und wie lassen sich additive verfahren in der industriellen produktion sinnvoll und ge- winnbringend einsetzen? diesem themenbereich widmen sich expertinnen und experten der fraunhofer-institute für produktionstechnik ipt und für lasertechnik ilt gemeinsam mit wis- senschaftlern der rwth aachen und der fachhochschule aachen. unternehmen können diese gebündelte kompetenz als mitglieder, in gemeinsamen forschungsprojekten oder im rahmen maßgeschneiderter weiterbildung nutzen. www.acam.rwth-campus.com im automobilbau werden querlenker norma- lerweise gegossen und geschmiedet. diese bauteile übertragen die lenkbewegung vom fahrzeugkörper auf die einzeln aufgehängten räder. »bei hochleistungsfahrzeugen, etwa für den rennsport, sind sie besonders belastet und müssen verstärkt werden«, weiß dr. kristian arntz, der die abteilung für nichtkonventionelle fertigungsverfahren am fraunhofer-institut für produktionstechnologie ipt in aachen leitet. da die zu verstärkenden elemente bei jedem rennwagen etwas anders aussehen, müssen die autobauer für jede serie ein eigenes gieß- oder schmiedewerkzeug entwickeln – eine kost- spielige angelegenheit, bei der kleinen stück- zahl. daher der wunsch einiger hersteller, die verstärkenden elemente künftig im 3d-druck zu produzieren. die vorteile der additiven fertigung sind be- kannt: kleine stückzahlen lassen sich individuell fertigen. und es sind nahezu beliebige geomet- rien herstellbar, etwa überhängende strukturen, gitter oder hohlräume. all das ist mit verschie- denen metallen und legierungen möglich. es erstaunt daher nicht, dass die maschinen für den metallischen 3d-druck von jahr zu jahr gefragter sind. rasante zuwächse verzeich- net vor allem das laser-pulverbettschmelzen. dabei wird das werkstück durch laserstrahlen aus einem pulverförmigen werkstoff schicht- weise aufgebaut. dieses verfahren hat sich im prototypenbau schon gut etabliert. dazu kommt das laserauftragschweißen, bei dem metall aus einer düse direkt am zielpunkt abgesetzt wird. in der industriellen produktion sind die additiven verfahren noch nicht richtig angekommen. hier dominieren die klassischen fertigungsverfahren: gießen und schmieden, außerdem fräsen und andere abtragende techniken. das hat seinen grund: die verfahren eignen sich für große mengen. und je mehr gleiche teile hergestellt werden, desto kostengünstiger sind sie. beim 3d-druck ist das nicht so. er gilt in der industrie als langsam und teuer. einige unternehmen haben bereits die erfahrung gemacht, dass sich additive fertigungsverfahren in teilschritten des prozesses trotzdem sinnvoll einsetzen lassen: bei kleinen stückzahlen und bei komplizierten räum- lichen strukturen, die sich klassisch gar nicht oder nur mit sehr großem aufwand herstellen lassen. ein beispiel sind bohrwerkzeuge, bei denen in die bohrkronen kühlkanäle zur wärmeabfuhr eingearbeitet sind. der schaft des bohrers wird konventionell hergestellt, die kronen dagegen im 3d-druck. durch diese »hybride« fertigung kann man aufwendig gestaltete kühlkanäle realisieren. gleichzeitig erhält der bohrkopf mehr schneiden als ein klassisch gefertigter. da das werkzeug durch den 3d-druck deutlich leistungsfähiger ist, lohnt sich der zusätzliche aufwand. das haben auch flugzeughersteller erkannt. bei komplex geformten metallteilen im innenraum von flugzeugen ergänzen sie klas- sische produktionstechniken inzwischen durch additive verfahren. neue prozessketten und geschäftsmodelle im aachen center for additive manufacturing acam arbeiten fraunhofer-forscher gemein- sam mit experten der rwth aachen und der industrie daran, für jeden anwendungsfall die optimale kombination aus konventioneller und additiver fertigung zu finden. wichtiger faktor dabei sind die kosten. »optimal heißt aber nicht immer so billig wie möglich«, erläutert kristian arntz. denn welche teile eines werk- stücks klassisch und welche additiv gefertigt werden, hängt noch von anderen einflüssen ab, zum beispiel von der materialeffizienz oder der auslastung von maschinen. letztlich geht es immer um die entscheidung: lohnt es sich auch finanziell, einen teil des prozesses auf ein neues verfahren umzustellen? kristian arntz und seine kollegen entwickeln eine software, die unternehmen bei dieser schwierigen entscheidung unterstützen soll. da- bei stellt sich oft die frage, ob die konstruktion des bauteils geändert wird, um die potenziale des 3d-drucks zu nutzen. das verändert den blickwinkel für die ingenieure. sie waren es lan- ge zeit gewohnt, ein werkstück so zu konstruie- ren, dass man es mit den klassischen verfahren herstellen kann. heute ist im vorteil, wer additi- ve methoden von vornherein mit bedenkt. eine hybride produktion ist jedoch zunächst mit mehraufwand verbunden, da neue prozess- schritte etabliert werden müssen. denkbar ist auch ein neuer typ von werkzeugmaschinen, die als hybride geräte beispielsweise fräsen und auftragsschweißen kombinieren. »in den nächsten jahren werden wir sehen, dass die prozesse flexibler werden«, sagt kristian arntz voraus. »manchmal sind klassische und additive verfahren etwa gleich effizient. dann kann der betrieb mal auf der einen, mal auf der anderen maschine produzieren und dadurch die auslas- tung optimieren.« auch der ausfall einer anlage lässt sich leichter kompensieren als bisher. nicht zuletzt sind neue geschäftsmodelle und wert- schöpfungsketten in sicht, weil der 3d-druck bedarfsgerechte fertigung vor ort ermöglicht. die hybride fertigung bringt also frischen wind in die industrielle produktion metallischer bau- teile. die querlenker für den rennsport sind da erst der anfang.

weiter.vorn 2.18 produktion - 57 axial-geschwindigkeit (m/s) 480 370 260 150 40 -70 strömungssimulation am zerstäuber. © fraunhofer ipa lack und energie sparen die selbstprogrammierende lackierzelle selfpaint bietet unternehmen hier erstmals eine lösung – und wartet zudem mit zahlreichen einsparpotenzialen auf. entwickelt wurde sie in den fraunhofer-instituten für produktionstechnik und automatisierung ipa, für techno- und wirtschaftsmathematik itwm und dem schwedischen fraunhofer-chalmers centre for industrial mathematics fcc. »mit unserer technologie selfpaint können wir kleine chargen und selbst einzelstücke automatisiert lackieren«, sagt dr. oliver tiedje, gruppenleiter am ipa und koordinator des projekts. »dabei sparen wir bis zu 20 prozent lack ein und reduzieren somit auch die löse- mittelemissionen um 20 prozent. doch damit nicht genug: wir brauchen zudem 15 prozent weniger energie und sind um fünf prozent schneller als die bisher gängige handlackie- rung.« auch was die reproduzierbarkeit angeht, punktet das automatische verfahren gegenüber der handarbeit. simulationen ermöglichen die optimale lackierung der automatische lackierprozess besteht aus fünf schritten. zunächst wird das bauteil dreidimensional gescannt. dabei setzen die forscher auf robuste state-of-the-art-systeme: 3d-sensoren für die steuerung von videospielen. diese werden mit cad-daten der bauteile gefüttert und können so die lage der bauteile im raum erkennen. die scandaten bilden die basis für den zweiten schritt, eine fluiddynamische simulation. eine software simuliert die flugbahn der lackteil- chen und bestimmt, welche lack- und luftmengen für die gewünschte schichtdicke optimal sind. aus diesen simula- tionsdaten bestimmt das system im dritten schritt die best- mögliche roboterbahn für den lackierprozess. nun folgt – im schritt nummer vier – der eigentliche lackierprozess. und in schritt nummer fünf wird schließlich die qualität überprüft: ist die dicke der lackschicht wie gewünscht? »für diese qualitätskontrolle nutzen wir terahertz-technik, also licht mit einer wellenlänge zwischen mikrowelle und infrarot. auf die- se weise können wir nasse und farbige lacke berührungslos messen, und zwar bereits während des lackierens oder auch im nachgang«, berichtet dr. joachim jonuscheit, stellvertre- tender abteilungsleiter am itwm. das system ermöglicht es sogar, einzelschichtdicken eines mehrschichtensystems berührungslos zu vermessen. die messsysteme für diese qualitätskontrolle haben in den letzten jahren industriereife erlangt und bewiesen. im lackieralltag soll der gesamte fünf- stufige prozess schon bald automatisch ablaufen: das bauteil wird von robotern gescannt, lackiert und auf die qualität überprüft – ohne zutun eines mitarbeiters. während die forscher vom ipa das projekt koordinieren und sich der lackiertechnik sowie der simulation der lackier- teilchen nah am zerstäuber widmen, kümmern sich die schwedischen kollegen um die simulation nah am bauteil sowie um die automatische bahnplanung. genauer gesagt: sie berechnen, wie die lacktröpfchen durch die luft fliegen, wo sie auf dem objekt landen und wie dick die entstehende schicht ist. die forscher am itwm übernehmen den 3d-scan und die schichtdickenmessung zur qualitätsabsicherung. die einzelmodule an sich sind bereits fertig, nun fügen die wissenschaftler die einzelschritte zu einem komplett auto- matisierten prozess zusammen. ende 2018 soll der gesamte prototyp fertig sein – und der lackiertechnik in der produk- tion zu mehr automatisierung und flexibilität verhelfen. schematische darstellung der berechnung und des messprozesses am beispiel eines stuhls. lackierprozess (links), schichtdickenmes- sung (rechts). © fraunhofer itwm

weiter.vorn 2.18 produktion - 59 forscherin jaqueline presti vom fraunhofer izfp prüft mit einer augmented-reality-brille ein bauteil auf fehler im materialinneren. © fraunhofer izfp, uwe bellhäuser lange zeit diente die zerstörungsfreie prüfung nur der qualitätsuntersu- chung von bauteilen und produkten. heute ist ein zerstörungsfreies monito- ring entlang der gesamten wertschöpfungskette möglich – von der analyse der rohstoffe über die be- gleitung der produktion bis hin zur identifikation von wertstoffen beim recyc- ling. © fraunhofer izfp initiiert werden können. dieses prinzip gilt für jede branche, jeden prozess und jede erdenkliche aufgabenstellung. das intelligente monitoring ist hierbei ein schlüsselbegriff. es geht in zukunft nicht mehr ausschließlich darum, eine gut- schlecht-entscheidung zu treffen. vielmehr sollte man dem kunden ein monitoringsystem an die hand geben, das ihm zeigt, wie er seine prozesse optimieren kann. unter prozess verstehe ich nicht nur den klassischen produktionsprozess. werkstoffentwicklungs-, konstruktions-, wartungs- und recyclingprozesse fallen ebenfalls darunter. damit verschiebt sich der fokus unserer forschungsbemühungen. wir werden künftig nicht nur prüfen, sondern auch sortieren, charakteri- sieren, überwachen oder überprüfen. wie würden sie das zerstörungsfreie monitoring im kontext der industrie 4.0 einordnen? heute versucht man aus riesigen datenmengen mittels ler- nender algorithmen diejenigen informationen zu extrahieren, mit denen sich prozesse besser verstehen, beobachten oder optimieren lassen. wenn wir heute über big data sprechen, verstehen wir darunter fast ausschließlich fabrikdaten, logis- tikdaten, kostendaten oder maschinendaten. was im zusam- menhang mit big data bislang kaum berücksichtigt wird, sind smart materials data. wir werden diese materialdaten nicht einfach wahl- oder lückenlos messen, sondern nur noch die relevanten daten erfassen. und was relevante oder smarte daten sind, wird das intelligente messsystem, das kognitive sensorsystem, selber entscheiden. in zukunft kann ich mir folgendes szenario gut vorstellen: der kunde bekommt ein intelligentes monitoring-system © fraunhofer iis / caroline glasow prof. randolf hanke leitet das fraunhofer-institut für zerstörungsfreie prüf- verfahren izfp in saarbrücken und ist stellvertretender leiter des fraunhofer-instituts für integrierte schaltungen iis, wo er für das entwicklungszentrum röntgentechnik in fürth verantwortlich ist. gleichzeitig ist er inhaber des lehrstuhls für röntgenmikroskopie an der julius-maximili- ans-universität würzburg. ausgeliefert – nennen wir es black box. er muss über keinerlei zfp-know-how verfügen. in dieser black box befinden sich beispielsweise korrespondierende roboter, die zugriff auf unterschiedliche sensorsysteme haben und dann selbst entscheiden, welchen sensor sie nutzen, um eine definierte aufgabe zu lösen. das hört sich visionär an. halten sie es für realistisch, dass solche systeme bald realität werden? auf jeden fall! der mensch funktioniert im wesentlichen sehr ähnlich: wir haben einen körper, in dem unterschied- liche sensorsysteme angelegt sind, und ein gehirn, das diese sowohl steuert als auch deren daten zu informationen weiterverarbeitet. wenn ein mensch eine aufgabe bekommt, bearbeitet er diese mit einer gewissen aufmerksamkeit. in dem moment, in dem er bemerkt, dass etwas nicht stimmt, wird er aufmerksamer. er schaltet dann weitere sinne hinzu, versucht genauer hinzusehen oder hinzuhören. der mensch prüft immer unterschiedlich oder adaptiv, also intelligent. dies muss in zukunft auch in der zerstörungsfreien prüfung der anspruch sein.

unter federführung des fraunhofer-instituts für produktionstechnik und automatisierung ipa im gleichnamigen eu-projekt entwickelt haben. auch die idee und das konzept stammen aus dem ipa. »über die mobile fabrik lässt sich die lieferzeit von bis zu einer woche auf zwei tage verkürzen«, sagt raphael adamietz, projektleiter am ipa. doch wie hat man sich eine solche mo- bile fabrik vorzustellen? im grunde ist der name programm: das italienische wort »cassamobile« heißt nichts anderes als »container«. zwar sieht der grün-weiße container von außen zunächst unscheinbar aus, doch der eindruck täuscht: in seinem inneren verbirgt sich eine intelligente minifabrik. in ihr lassen sich beispielsweise kno- chenbohrschablonen als 3d-druck fertigen, in einer fräse nachbearbeiten, qualitativ überprü- fen und steril verpacken. per lkw transportieren, stecker einstecken und produzieren für die herstellerfirmen bietet die mobile fabrik verschiedene vorteile. zum einen die große flexibilität: die abmessungen des containers haben die forscher bewusst so gewählt, dass er gerade noch ohne eskorte über die straßen gefahren werden kann. die unternehmen brau- chen ihr equipment nur einmal anzuschaffen und können es dort einsetzen, wo sie es benö- tigen – somit sparen sie geld und schonen die umwelt. vor ort kann es dann sofort losgehen: der container wird voll ausgestattet zu seinem bestimmungsort transportiert, dort braucht er dann nur noch strom, wasser und druckluft. da in direkter kundennähe gefertigt werden kann, verkürzen sich die lieferzeiten deutlich. dies könnte mehr absatz bewirken: denn dauert die lieferung zu lang, entscheidet sich der eine oder andere vielleicht doch für ein schneller verfügbares produkt. die ärzte greifen dann auf andere, vielleicht weniger optimale metho- den zurück. flexibilität durch modularen aufbau man kann auch andere maßgeschneiderte produkte innerhalb kürzester zeit direkt vor ort herstellen – schließlich haben die forscher die fabrik bewusst modular aufgebaut. die prozess- kette lässt sich flexibel abändern oder erweitern, einzelne module können auch weggelassen werden. so ist die mobile fabrik beispielsweise nach erdbeben in katastrophengebieten einsetz- bar. direkt vor ort produziert sie die bauteile, die das technische hilfswerk dringend braucht – etwa um die trinkwasserversorgung wieder- herzustellen. denkbar sind auch produktionen weiter.vorn 2.18 produktion - 61 in gegenden, in denen es sehr aufwendig wäre, eine fabrik aufzubauen, da es an passenden gebäuden und der nötigen infrastruktur hapert. bei cassamobile hat man schließlich seine ei- gene, komplette infrastruktur parat und könnte beispielsweise in afrika autoersatzteile produzie- ren, die dort mangelware sind. kernstück: 3d-drucker das kernmodul der produktionsanlage ist der 3d-drucker, der am ipa entwickelt wurde. »für den druck kombinieren wir zwei materialien: für das bauteil selbst verwenden wir üblicherweise polyamid. die stellen, an denen wir später kein material haben wollen, füllen wir zunächst mit einem supportmaterial, das wir anschließend in einem lösungsmittel auflösen«, erläutert adamietz. auf diese weise können die for- scher dreidimensionale freigeformte strukturen herstellen. die druckmaterialien liegen dabei als aufgerollte kunststoffschnur vor. diese wird auf- geschmolzen und linienförmig auf dem substrat abgelegt. damit die oberfläche homogen und das bauteil maßhaltig wird, heizen die forscher auch den bauraum auf. eine kamera überwacht den gesamten druck- vorgang und hilft, fehler sofort zu korrigieren. das reduziert ausschuss, verbessert die qualität und spart aufwendige manuelle kontrollen. die produzierten bauteile sind daher bereits sehr exakt. sollte eine oberfläche doch einmal nicht ideal sein, so kann sie über ein fräsmodul nach- bearbeitet werden. sind sterile produkte gefor- dert wie bei der knochenbohrschablone, so wird das produkt nass gereinigt, mit wasserdampf sterilisiert und anschließend steril verpackt. damit die luft im container rein ist und bleibt, wird sie ständig umgewälzt und durch luftfil- tereinheiten gedrückt, die verunreinigungen herausfischen. ein zentraler rechner verbindet alle komponenten und steuert das gesamte produktionssystem. es überrascht daher nicht, dass die mobile fabrik auf großes interesse der industrie stößt. blick ins innere: modulares und intelligent vernetztes fertigungssystem auf kleinster fläche. © fraunhofer ipa

weiter.vorn 2.18 produktion - 63 zu den kooperationspartnern im projekt »heusler«, das im vergan- genen jahr abgeschlossen wurde, gehören: die fraunhofer-institute für werkstoffmechanik iwm in freiburg und für mikrostruktur von werkstoffen und systemen imws in halle sowie die max-planck-ins- titute für chemische physik fester stoffe in dresden und für mikro- strukturphysik in halle. im projekt intensiv untersuchte kristall- struktur der magnetischen heusler-phase fe2coga (rot: eisen-, grün: cobalt- und blau: gallium-atome). © fraunhofer iwm stoffe in dresden, um daraus erste permanent- magnetische heusler-materialien herzustellen. die materialproben wurden dann vom fraun- hofer-institut für mikrostruktur von werkstoffen und systemen imws elektronenmikroskopisch analysiert, um die exakte anordnung der atome zu entschlüsseln. »am fraunhofer iwm haben wir diese informationen über die atomare anordnung im material und insbesondere an den defekten genutzt und in computersimu- lationsmodelle überführt«, sagt krugel. dank dieser modelle konnten er und seine kollegen dann verschiedene anordnungen der atome durchspielen. »wir haben mit quantenmechani- schen computersimulationen die atomare skala analysiert«, berichtet der wissenschaftler. die untersuchungsergebnisse dieser simula- tionen nutzten abschließend wiederum die forscher und forscherinnen vom max-planck- institut für chemische physik fester stoffe, um im labor die heusler-kristallstrukturen zu optimieren. so konnte in der experimentellen synthese ein neues material mit vielversprechen- den magnetischen eigenschaften hergestellt werden. bis zu einem fertigen produkt ist es noch ein langer weg. die ergebnisse zeigen jedoch, dass es alternative werkstoffe für permanentmagnete gibt, die ohne selten-erd-elemente auskom- men – und dass heusler-materialien dafür eine vielversprechende stoffklasse sind.

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weiter.vorn 2.18 personalien - 67 personalien der senat der fraunhofer-gesellschaft hat andreas meuer einstimmig zum vorstand controlling und digitale geschäfts- prozesse gewählt. der finanzexperte tritt die nachfolge von prof. (univ. stellenbosch) alfred gossner an. der diplom-kauf- mann ist seit 1992 bei der fraunhofer-gesellschaft und hatte seitdem verschiedene leitende funktionen inne. zuletzt war er direktor der hauptabteilung finanzen, rechnungswesen und wirtschaftsplan. dort verantwortete er unter anderem kaufmännisch das finanzvolumen der fraunhofer-gesellschaft von über zwei mrd euro, entwickelte den jahresabschluss weiter und baute die vermögensverwaltung auf. prof. claus emmelmann leitet seit dem 1. januar 2018 die neu gegründete fraunhofer-einrichtung für additive produktionstechnologien iapt in hamburg. entstanden durch die eingliederung der lzn laser zentrum nord gmbh, ist das iapt die erste fraunhofer-einrichtung mit sitz in der freien und hansestadt hamburg und ein wichtiger baustein beim ausbau der kompetenzen im bereich der zukunftsthemen additive fertigung und nanotechnologie. zuvor hatte prof. emmelmann die lzn laser zentrum nord gmbh als ge- schäftsführer geleitet. zum jahresbeginn hat dr. ying li die leitung des fraun- hofer representative office in peking übernommen. der in deutschland promovierte maschinenbauer kehrt damit zu seinen chinesischen wurzeln zurück. geboren wurde li in der westchinesischen region xinjiang, studierte jedoch in darmstadt und hatte bereits in seiner zeit am fraunhofer- institut für betriebsfestigkeit und systemzuverlässigkeit lbf an strategischen kooperationen mit chinesischen partnern mitgearbeitet. prof. ulrike köhl ist neue geschäftsführende institutsleiterin am fraunhofer-institut für zelltherapie und immunologie. seit mitte dezember 2017 leitet köhl zudem als neuberufene professorin für immunonkologie der universität leipzig das institut für klinische immunologie am universitätsklinikum leipzig. die forscherin mit spezialisierung auf zelluläre im- muntherapien war davor als professorin an der medizinischen hochschule hannover tätig. köhl löste prof. frank emmrich ab, der das izi im jahr 2005 gegründet hat und das institut seither leitete. das fraunhofer center for assistive information and commu- nication solutions aicos in portugal hat eine neue leiterin: prof. liliana da silva ferreira phd steht seit september vergangenen jahres an der spitze des centers. sie folgt auf prof. dirk elias, der in ein technologieunternehmen wechsel- te. mit 37 jahren ist ferreira eine der jüngsten führungsper- sönlichkeiten an der spitze einer fraunhofer-einrichtung. impressum fraunhofer-magazin »weiter.vorn«: zeitschrift für forschung, technik und innovation. redaktion: janis eitner (v.i.s.d.p.), marion horn (chef- redaktion), roman möhlmann issn 1868-3428 (printausgabe) issn 1868-3436 (internetausgabe) herausgeber: fraunhofer-gesellschaft hansastraße 27c, 80686 münchen redaktionsanschrift wie herausgeber telefon +49 89 1205-1301 magazin@zv.fraunhofer.de www.fraunhofer.de/magazin kostenloses abonnement: telefon +49 89 1205-1301 publikationen@fraunhofer.de redaktionelle mitarbeit: janine van ackeren, christine broll, thomas eck, sonja endres, sibylle gaßner, frank grotelüschen, inés gutiérrez, markus jürgens, thomas kestler, franz miller, hellmuth nordwig, isolde rötzer, tim schröder, andrea schwendemann, tobias steinhäußer, mehmet toprak, monika weiner, britta widmann graphische konzeption: butter. düsseldorf layout + litho: vierthaler & braun, münchen titelbild: istock, vierthaler & braun druck: h. heenemann gmbh, berlin © fraunhofer-gesellschaft, münchen 2018