Die Corona- Erklärerin Im Porträt: Sandra Ciesek 1 2 | 3 Was uns wirklich fehlt Rohstoffe, Lieferwege, Digitale Souveränität Staffellauf des Wissens Fraunhofer-Forschende geben Antworten Feind im Trinkwasser Wie Arzneirückstände abgebaut werden

3 | 21 Editorial Prof. Reimund Neugebauer Mit einem Netzwerk aus 23 Instituten verfügt die Fraunhofer-Gesellschaft sowohl über die biologisch- medizinische Expertise zur Herstellung von Zell- und Gentherapeutika als auch über die notwendigen Tech- nologien zur Automatisierung und flexiblen Steuerung. Ziel ist der Aufbau einer Pilotanlage für modulare, automatisierte Produktionsprozesse zur Gesundheit 4.0, in der innovative Technologien für die Entwick- lung und Herstellung von Zell- und Gentherapeutika sowie Impfstoffe entwickelt werden. Die intelligente Vernetzung innovativer Therapieformen mit technologischen Herstellungsverfahren ist eine ent - scheidende Voraussetzung für eine individuelle, effi- ziente und bezahlbare Prävention, Diagnostik, Therapie und Pflege. Für den Hightech-Standort Deutschland bietet sie eine enorme gesellschaftliche und ökono- mische Chance, die es entschlossen zu nutzen gilt. Ihr Reimund Neugebauer Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft — Mehr zu den großen Forschungsthemen der Fraunhofer-Gesellschaft: Prof. Reimund Neugebauer auf LinkedIn Bezahlbare Gesundheit braucht Innovationen Die Corona-Pandemie hat uns den Stellenwert einer hochqualitativen medizinischen Versorgung sowie einer exzellenten biomedizinischen Forschung nach- drücklich vor Augen geführt: Innerhalb kürzester Zeit wurden von deutschen Forschungsorganisationen und Unternehmen Impf- und Wirkstoffe, praxistaugliche diagnostische Tests, lebensrettende medizinische Geräte sowie innovative digitale Gesundheitsanwen- dungen zur Pandemiebekämpfung entwickelt und bereitgestellt. Bedingt durch die aktuelle Innovationsdynamik und die rasante Entwicklung der Medizin zu einer High- tech-Disziplin bieten technologiegetriebene Innovatio- nen für die Gesundheitsversorgung in den kommenden Jahrzehnten eine herausragende Chance, neue Arbeits- plätze zu schaffen, nachhaltige Wertschöpfungspo ten- ziale zu erschließen und damit den Wirtschafts- standort Deutschland zu stärken. Gleichzeitig stellen technologische Souveränität und Resilienz in der Pharmaproduktion eine wichtige Voraussetzung für die Bewältigung künftiger medizinischer Krisen dar. Der Bereich der personalisierten Medizin mit der Ent- wicklung, Herstellung und Anwendung von Arznei- mitteln für neuartige Therapien bietet nie gekannte Möglichkeiten. Jedoch ist ihr breiter Einsatz im Ge- sundheitssystem aus Kosten- und Logistikgründen noch nicht gegeben. Um diese neuen Therapieansätze allen Patienten zur Verfügung zu stellen, beispiels- weise für die Behandlung von Krebs oder Erkran- kungen des Immunsystems, bedarf es sowohl neuer Ent wicklungs- und Herstellungstechnologien auf Basis von Robotik, Automatisierung und Künstlicher Intelligenz als auch einer interdisziplinären Zusam- menarbeit von Medizin, Naturwissenschaften, Informatik und Ingenieurwesen. zurück zu Seite 1 3 r e b u H d r a h n r e B / r e f o h n u a r F : o t o F

26 Ganz schön schmerzhaft So lassen sich Nierensteine rückstandslos entfernen 28 Schleichweg ins Gehirn Neue Hoffnung im Kampf gegen die Volkskrankheiten Alzheimer, Multiple Sklerose und Parkinson 30 Stimme aus der Wirtschaft Dr. Torsten Jeworrek, Munich Re, über die Folgen des Klimawandels 32 Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser Wie Künstliche Intelligenz zu einem verlässlichen Hilfsmittel wird 35 Neue Serie: Staffellauf des Wissens Unsere Zeit stellt viele Fragen – Fraunhofer-Forschende bemühen sich um Antworten 32 Wie können wir KI vertrauen? In immer mehr Bereichen ist Künst- liche Intelligenz eine Chance – und schafft neue Risiken. Das Fraunhofer IAIS arbeitet an der Zertifizierung. 3 | 21 58 Die Pandemie- Erklärerin Sandra Ciesek ist »Hochschul- lehrerin des Jahres 2021«. Mit dem Fraunhofer ITMP hat sie sich auf die Suche nach einem Corona-Medikament gemacht. r e n t i e L a l i e n a D , f i a l / r e n g e W m T i 55 Der Feind im Trinkwasser 30 000 Tonnen Arzneien verbrauchen die Deutschen. Kläranlagen filtern die Rückstände nicht. Elektrolyse plus Ultraschall ist die neue Hoffnung. 50 Fraunhofer international 66 Tickende Zeitbomben 52 »Plastikverschmutzung ist eine existenzielle Bedrohung!« Das Fraunhofer IKTS und die Komplexität der Verwitterung von Plastikmüll 55 Arznei im Trinkwasser 30 000 Tonnen Medikamente verbrauchen die Deutschen jährlich. Die Rückstände bleiben ungefiltert – bisher 58 Die Pandemie-Erklärerin Im Porträt: Sandra Ciesek, »Hochschullehrerin des Jahres 2021« 62 Serie: Gründen mit Fraunhofer Wie Photovoltaik-Anlagen günstiger, effektiver und umweltfreundlicher werden 64 Der Chipsdosen-Hack Gefährliche Bequemlichkeit: Bluetooth macht das Leben einfacher – und schafft Sicher- heitslücken am Meeresgrund 1,6 Millionen Tonnen Weltkriegs- munition rosten auf dem Grund von Nord- und Ostsee. Von Jahr zu Jahr wächst die Gefahr 68 Foto & Fraunhofer Fußball wird immer dynamischer – Fraunhofer-Hochfrequenztechnik hilft mit intelligenter Sensorik beim Training 71 Fraunhofer vor Ort #bauen Die Baubranche soll für 38 Prozent der globalen CO2-Emissionen verantwortlich sein. Entsprechend groß sind die Einsparpotenziale. Allein bei der öffentlichen Vergabe von Aufträgen könnte, so das Institut der deutschen Wirtschaft, so viel Treib hausgas eingespart werden, wie der gesamte innerdeutsche Flug- ver kehr produziert. Neue Ansätze für den Bau bietet auch die Kreislaufwirt- schaft (S. 10). 38 , l e g n E a n e L , h c o K s a b o T i , r e g ö r K s a m o h T - n a f e t S , j h c O a n o S : t l a h n I ; f i a l / r e n g e W m T i j , ) 2 ( h c O a n o S : r e v o C s o t o F zurück zu Seite 1 5

3 | 21 Unter Wasser mit mehr Energie unterwegs Ein besseres Batteriemanagement für Unterwasserrobo- ter, sogenannte Unmanned Underwater Vehicles (UUV), entwickeln Forschende des Fraunhofer-Instituts für Ke- ramische Technologien und Systeme IKTS und die For- schungsgruppe Smart Ocean Technologies SOT. Es soll die Einsatzkosten senken und dafür sorgen, dass die UVV länger tauchen können. Tauchroboter sind immer häufiger und länger im Ein- satz: Sie inspizieren Bohrinseln, warten Unterwasser- Gasleitungen oder suchen nach Rissen an Offshore-Wind- kraftanlagen. Die Energiespeicher der Roboter müssen unter weitaus schwierigeren Bedingungen funktionieren als beispielsweise Batterien für Elektroautos: Einige UUV können bis zu einem Kilometer tief tauchen, wo das Tem- peraturgefälle die Technik stark beansprucht und den Entladevorgang beschleunigt. Mithilfe von piezokeramischen Sensoren sammeln die Forschenden neue Erkenntnisse über die Entladevor- gänge in der Batterie auf Zellebene. Die Sensoren auf den Zellen schwingen, wenn man eine Spannung von außen anlegt, und wandeln mechanische Bewegungen in mess- bare elektrische Signale um. Je elastischer, desto besser aufgeladen ist die Zelle. Nach erfolgreichen Trockentests im Labor wird die neue Sensortechnik in einem mobilen Minilab voraus- sichtlich zum Jahresende auch unter Wasser erprobt. Die Erkenntnisse sollen in ein exakteres Batteriemanagement einfließen. Unterwasserroboter sollen in Zukunft länger durchhalten können. zurück zu Seite 1 7 Unbeschwert genießen – Fraunhofer-Forschende untersuchten, welche Milchverpackung die Umwelt am wenigsten belastet. Milchverpackungen im Öko-Test Welche Milchverpackung ist am nachhaltigsten: Ver- bundkartons, Kunststoff-Standbeutel oder Mehrweg- Glasflaschen? Dieser Frage ging jetzt das Fraunhofer- Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in einer Studie nach. Dabei berücksichtig- ten die Forscherinnen und Forscher die Produktion, den Transport und die Entsorgung der unterschiedli- chen Verpackungsmöglichkeiten. Das Ergebnis: Mehr- weg-Glasflaschen sind am umweltfreundlichsten – allerdings nur, wenn die Transportwege kurz sind oder der Umlauf größer ist als 20. Denn die Mehrweg- Glasflasche beeinflusst pro Umlauf im Vergleich zum Getränkeverbundkarton das Klima zunächst stärker – bedingt durch ein höheres Gewicht beim Transport, die Retouren und die Reinigung zur Wiederbefüllung. Die Nachteile der Glasflasche kehren sich jedoch um, wenn sie häufig verwendet oder innerhalb des iden- tifizierten ökologischen Radius transportiert wird. Je höher die Rückläufe und je kürzer die Distanzen, desto nachhaltiger ist Glas. ) 3 ( o t o h p k c o t s i , H b m G c i n o s o r b V i : s o t o F

Impressum Fraunhofer. Das Magazin, Zeitschrift für Forschung, Technik und Innovation. 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 Redaktion: Janis Eitner (V.i.S.d.P.), Josef Oskar Seitz (Chef redak tion), Dr. Sonja Endres, Roman Möhlmann Redaktionelle Mitarbeit: Dr. Janine van Ackeren, Marina Babl, Mandy Bartel, Christine Broll, Meike Grewe, Sirka Henning, Dr. Monika Offenberger, Sibylle Schmitt, Tim Schröder, Eric Schütz, Franziska Sell, Beate Strobel, Mehmet Toprak Layout + Litho: Vierthaler & Braun Titelbild und Fotografie der Titelstrecke: Sonja Och Fotograf Artikel Technologische Souveränität: Stefan-Thomas Kröger Druck: hofmann infocom GmbH, Nürnberg © Fraunhofer-Gesellschaft e.V. München 2021 Fraunhofer in Social Media: @Fraunhofer www.facebook.com/ fraunhoferde www.instagram.com/ fraunhofergesellschaft www.linkedin.com/company/ fraunhofer-gesellschaft https://www.youtube.com/ fraunhofer 3 | 21 Die innovativen Wechselrichter können die Energie viel effizienter zwischen Batterie und Motor umwandeln. Mehr Reichweite für Elektroautos Damit E-Fahrzeuge größere Strecken bewältigen können, reicht es nicht, nur die Batterien zu optimieren – der ganze Antriebsstrang muss verbessert werden. H ocheffizient arbeitende Halb- leiter aus Silizium-Carbid (SiC) sollen die Verluste verringern, die vor allem beim Beschleunigen, Ab- bremsen und beim schnellen Fahren in Wechselrichtern und ihren Transistoren auftreten, die den Stromfluss steuern. Die optimierten Wechselrichter wandeln den Gleichstrom der Batterie viel effizienter in Wechselstrom für den Motor um. Ent- wickelt wurden sie von einem Team am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM in Berlin im Projekt SiCeffizient zusammen mit Indus- triepartnern. »Wir gehen davon aus, dass Elektro- autos durch diese Verbesserung des An- triebsstrangs am Ende eine um bis zu sechs Prozent größere Reichweite haben«, sagt Eugen Erhardt, wissenschaftlicher Mit- arbeiter am Fraunhofer IZM. Was nach wenig klingt, ist im Bereich der Elektro- mobilität ein erheblicher Leistungssprung, der sich normalerweise nur durch den Ein- satz von mehr Akkus erreichen lässt. Die neuen Halbleiter haben allerdings auch einen Nachteil: Sie sind relativ teuer. Da- her reduzierte das Fraunhofer IZM-Team ihre Anzahl. Um zu verhindern, dass die wertvollen SiC-Transistoren aufgrund der dann verhältnismäßig höheren Belastung überhitzen, entwickelten sie völlig neue, leistungsfähigere Kühlelemente. Die Wärme, die in den Transistoren entsteht, wird für gewöhnlich über einen massiven Kühlkörper abgeleitet. Dieser besitzt Kühlstäbe, sogenannte Finnen, über die die Wärme in Wasser abgegeben wird. Den neuartigen Kühlkörper mit vergleichs- weise dünnen Wänden haben die Forschen- den per 3D-Druck erzeugt. Die Transisto- ren sitzen auf einer nur wenige Millimeter dünnen Metallplatte. So rücken sie dichter an das Kühlmedium Wasser heran – die Kühlwirkung wird verstärkt. In den kommenden Monaten wird der neue Wechselrichter beim Projektpartner Robert Bosch getestet. Die Firma Porsche wird das Gerät anschließend in einen neu konzipierten Antriebsstrang einbauen, der ganz auf den SiC-Aufbau abgestimmt ist. zurück zu Seite 1 9 e n i l n o 1 F / y s k c o t S / o k n e h c l y n a D v a l s o r a Y , k c o t S e b o d A , E S I r e f o h n u a r F : s o t o F

3 | 21 Justus von Freeden, Wissen- schaftler am Fraunhofer IWU, entwickelt wiederverwendbare Strukturen – »Faserkunststoff ver- bunde mit Kohlen stofffasern eignen sich dafür sehr gut!« zurück zu Seite 1 11

3 | 21 Die Selten­ Erd­Metalle stammen zu etwa 80% aus China. »Vor allem die Versorgung mit Platin und Ruthenium könnte kritisch werden«, fürchtet Jana Rückschloss, Wissenschaftlerin am Fraunhofer IZM. zurück zu Seite 1 13

3 | 21 Elektromotoren, Festplatten, Handys und Lautsprechern. Denn: 90 Prozent der Energie, die zur Herstellung solcher Magnete benötigt wird, fließen in Abbau, Trennung und Aufbereitung der enthaltenen Selten-Erd-Oxide – Mate- rial- und Energiekosten, die beim Recycling eingespart werden können. Der Recyclingpro- zess an sich ist bereit, in Europa mangelt es jedoch noch an Rück- nahmesystemen und an Abneh- mern. »Der Markt dafür entsteht derzeit«, sagt Konrad Opelt, Wissen- schaftler am Fraunhofer IWKS. »Wenn Europa unabhängig werden will, Dr. Benjamin Balke überzeugt. Der Abteilungsleiter an der Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS widmet sich im Projekt Hy- droLIBRec dem Recycling elementarer Bauteile rund um die E-Mobilität, die kritische Rohstoffe wie Kobalt und Seltene Erden enthalten. Genauer gesagt den Lithium-Ionen-Batte- rien, die in Elektrofahrzeugen ver- baut werden. Die Frage, die sich den Forsche- rinnen und Forschern des Fraun- hofer IWKS als erste stellt: Wie weit soll das Material aufgetrennt wer- den? Schließlich sind die komple- xen intermetallischen Verbindun- gen schwer zu lösen – es wäre also viel Energie nötig, um die Verbin- dungen bis hin zu den Elementen sortenrein zu trennen. »Wir bevor- zugen daher das funktionale Re- cycling«, sagt Balke. Im Fall der Batterien heißt das: Das Kathoden- material wird nicht in die einzel- nen Metalle zerlegt, sondern als komplexe Verbindung recycelt. Ele- mentar für ein wirtschaftliches Recycling ist die Demontage. Ein Schreddern der Batterien ist wenig zielführend, denn die einzelnen Fraktionen bleiben dabei durchmischt und lassen sich nur äußerst schwer wieder herauslösen. Ein Demontieren per Hand ist zu kostspielig und aufwendig. Das Forscherteam entwickelt daher eine automatisier- te Demontage. »Die gesamte Batterie wird elektrohydrau- lisch zerkleinert: Dazu wird sie in Wasser gelegt, in dem kurze Hochspannungspulse von 40 000 Volt angelegt wer- den. Dies induziert eine Stoßwelle im Wasser, die auf die Sollbruchstellen zwischen den Materialien einwirkt und sie voneinander trennt«, erläutert Dr. Balke. Über weitere Sortierschritte lassen sich die einzelnen Bestandteile – Kupfer, Alu, Plastik – abtrennen. Zurück bleibt die Schwarz- masse, eine Mischung aus Anoden-, Kathoden- und Elek- trolytmaterial. Die kritischen Elemente Nickel, Mangan und Kobalt sind in der Kathodenmasse enthalten. »Um die Aufbereitung dieser Masse ökologisch und ökonomisch zu bewerten, durchlaufen wir verschiedene Prozesse und ermitteln den besten Weg«, erläutert Balke. So viel ist be- reits klar: Was die Qualität angeht, ist das recycelte Ka- thodenmaterial bereits gut brauchbar. Nun gilt es, das Re- cycling in Richtung Industrialisierung zu bringen. Lohnenswert kann ein Recycling auch bei Neodym- Eisen-Bor-Magneten sein: Diese stecken unter anderem in brauchen wir die Kreislaufwirtschaft – schließlich gibt es hier weder Kobalt und Nickel noch Mangan.« Dr. Benjamin Balke, Abteilungsleiter am Fraunhofer IWKS Im Projekt FUNMAG arbeitet er daran, alte Magnete wieder nutzbar zu machen und vor allem zu de- monstrieren, dass sie ohne Leis- tungseinbußen funktionieren. »Wir wollen zeigen, dass Anwendungen mit unseren wiederaufbereiteten Magneten die gleichen Eigenschaf- ten aufweisen wie neue«, sagt Opelt. »Zwar kann es beim Recyclingver- fahren Qualitätsverluste geben, je- doch kann man diese zum Beispiel über Änderungen in der Mikro- struktur ausgleichen.« Da sich die Magnete je nach An- wendung anders zusammensetzen – insbesondere die Arten und Anteile der enthaltenen Sel- tenen Erden unterscheiden sich –, sortieren die Forsche- rinnen und Forscher diese zunächst nach Einsatzgebieten und verspröden sie mit Wasserstoff zu einem groben Pul- ver. Dieses kann direkt wieder zur Produktion neuer Ma- gnete eingesetzt werden. Selbst inhomogene Gemenge lassen sich nutzen: Hier steht dann allerdings meist ein Downcycling auf dem Programm, also ein minderwerti- gerer Einsatz. Während FUNMAG vor allem Hochleistungs-Anwen- dungen für Neodym-Eisen-Bor-Magnete im Blick hat, wid- men sich Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IWKS im Projekt RecyPer auch anderen Verwendungen. »Ziel ist es, möglichst viele Altmagnetströme zu betrach- ten – auch Material, welches man für einen Traktionsmo- tor nicht mehr verwenden kann – und dafür neue Anwen- dungsfelder zu identifizieren, etwa Haftmagnete am Whiteboard«, sagt Mario Schönfeldt, Projektleiter am Fraunhofer IWKS. Ebenso wie bei den Magneten ist es auch in elektroni- schen Kleingeräten schwierig und somit unökonomisch, Metalle sortenrein zurückzugewinnen. »Im Smartphone ist ein reiner Materialwert von einem Euro enthalten«, weiß Karsten Schischke, Gruppenleiter am Fraunhofer IZM. zurück zu Seite 1 15

Rohstoffe, die vom Himmel regnen? Noch braucht das Hilfe­ stellung. Dr. Alexander Hofmann vom Fraunhofer­UMSICHT arbeitet an skalier ­ baren Lösungen. 3 | 21 »Unser Ziel ist eine Technologieplattform, mit der wir aus Altkunststoffen einen Rohstoff erzeugen können, der Neuware­ Qualität hat.« Dr. Alexander Hofmann Abhängigkeit der Unternehmen von den erdölfördernden Ländern und deren Preispolitik. Außerdem wird der Ex- port von Kunststoffmüll schwieriger. Verschiedene Ab- nehmerländer wie China lehnen die Entsorgung unserer Kunststoffe inzwischen ab. Der Recyclingansatz für Kunststoffe vom Fraunhofer UMSICHT und vom Fraunhofer Cluster CCPE bietet gro- ßes Potenzial. »Unser Ziel ist eine Technologieplattform, mit der wir aus Altkunststoffen einen Rohstoff erzeugen können, der Neuware-Qualität hat«, fasst Hofmann zu- sammen. Gelungen ist das zum Beispiel bereits bei Rotor- blättern von Windkraftanlagen – einem Abfallstrom, der einen großen Kunststoffanteil enthält. Die Schwierigkeit: Es handelt sich um Faserverbundstoffe. Die Experten zer- schneiden das Rotorblatt in Flakes von wenigen Zenti- metern Größe, die sie dann ebenso wie bei der Rückge- winnung der seltenen Metalle behandeln. Die Glasfasern werden aus der Kunststoff-Matrix herausgelöst, sie wer- den verwendet, um daraus Schaumglas zu erzeugen. Das Pyrolyse-Öl wiederum enthält die Kunststoff-Grundbau- steine, die je nach Ausgangsmaterial entweder als Mole- küle oder als Monomere im Öl vorliegen. Durch entspre- chende Aufrein ig ungsver fa h ren gew in nen d ie For scherinnen und Forscher daraus reines Styrol oder Phenol. Diese sind von ihrer chemischen Struktur von Neuware nicht zu unterscheiden und können der Kunst- stoffindustrie somit als Rohstoff dienen. Mit der Frage, wie man Faserverbundstoffe im Kreis- lauf führen kann, befasst sich auch das Fraunhofer-Ins- titut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU gemeinsam mit 21 Partnern aus sieben EU-Ländern im bereits 2017 gestarteten EU-Projekt FiberEUse. Drei ver- schiedenen Grundprinzipien widmet sich das Team: dem thermischen Recycling, dem mechanischen Recycling zurück zu Seite 1 17

»Die Methode ist relativ einfach – und das Interesse dem­ entsprechend groß.« Dr. Volker Thome, Abteilungsleiter am Fraunhofer­Institut für Bauphysik IBP 500 000 Tonnen Gips ließen sich auf diese Weise jähr- lich gewinnen. Viel, aber nicht ausreichend. Daher ent- wickeln und optimieren die Forscher am Fraunhofer IBP im Verbundprojekt »Baucycle« gemeinsam mit dem Fraun- hofer IML, dem Fraunhofer UMSICHT und dem Fraun- hofer IOSB ein Verfahren, mit dem sich größere Bauschutt- Stücke elektrooptisch erkennen und über Druckluft aussortieren lassen. Auf diese Weise können Bruchstücke zwischen zwei Millimetern und acht Zentimetern bei- nahe sortenrein wiedergewonnen werden. Selbst in Dubai ist Sand Mangelware Selbst Bausand gibt es längst nicht mehr wie Sand am Meer. So herrscht in Dubai bereits ein großer Bausand- Mangel, denn der Wüstensand eignet sich nicht – der gesamte Bausand wird aus Australien importiert. Auch andernorts ist Bausand heiß begehrt: Sandpiraten bauen vor Afrika illegal Sand ab und richten irreparable ökologi- sche Schäden an. Auch sind 20 indonesische Inseln durch Sandraubbau gänzlich von der Landkarte verschwunden. Könnte man den Bausand aus altem Beton dagegen wie- der zurückgewinnen, würde sich eine gigantische Quelle eröffnen: Denn Beton ist neben Wasser die meistgenutzte Substanz der Welt. Leicht ist das Unterfangen allerdings nicht: Noch lässt sich der Sand nicht von der umgebenden Matrix trennen. »Bisher wird der Beton einfach mecha- nisch zerkleinert. Mit der elektrodynamischen Fragmen- tierung haben wir jedoch erstmals eine Trennmethode entwickelt, mit der sich Sand, Kies und Stahlfasern aus dem Beton zurückgewinnen lassen«, berichtet Thome vom Fraunhofer IBP. Dabei werden unter Wasser ultra- kurze Blitze erzeugt, die sich in den Festkörpern bevor- zugt entlang von Phasengrenzen entladen und den Beton in seine Komponenten zerlegen. »Bereits bei der ersten Vorentladung, die die Gegenelektrode erreicht, entste- hen Drücke im Bereich einer TNT-Explosion«, berichtet Thome. Während sich der Kies auf diese Weise sortenrein abtrennen und gleichwertig wiederverwenden lässt Das Wissenschaftssofa der Fraunhofer-Zukunftsstiftung Beton-Recycling: Unsere Lösung für Klima- und Ressourcenschutz in der Baubranche Fraunhofer-Forscher Dr. Volker Thome sprengt mit Blitzen die härtesten Brocken. Das Wissenschaftssofa ist zu Gast in seinem Labor am 10.11.2021, 16 – 17:30 Uhr. Anmeldung zur kosten- freien Online-Veranstaltung per Mail an stiftung@fraunhofer.de N e u e s V e r a n s t a l t u n g s f o r m a t zurück zu Seite 1 www.fraunhofer-zukunftsstiftung.de

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Herr Althusmann, was fällt Ihnen zu einem Deutschland der Dichter ein? Bernd Althusmann: In erster Linie das, was wir wohl alle mit diesem Begriff verbinden: Wir haben das Glück, dass es in Deutschland immer Köpfe mit weltweiter Strahlkraft gab, die ihre Zeiten geprägt haben. Das ist bis heute so. Ist es heute noch gerechtfertigt, von einem Deutschland der Denker zu sprechen? Eindeutig ja, denn unser größtes Pfund – ne ben der Industrie – war immer und ist weiterhin Bildung, Wissenschaft und Forschung. Das lässt sich vor allem am Erfindergeist in unserem Land ablesen. Im Jahr 2020 wurden über 42 000 Patente in Deutschland angemeldet. Über 3300 Anmeldungen kamen aus Niedersachsen. Mit 40 Patenten pro 100 000 Einwohnern liegen wir im Bundesvergleich auf Rang drei – hinter Bayern und Baden-Württemberg. Sie sehen, das Fortschrittsdenken ist nicht erst seit Corona ein wichtiges Thema für uns. Womit wir beim dritten »D« sind, das Sie wiederholt angemahnt haben: Warum for- dern Sie, dass sich Deutschland Digitalisierung als Staatsziel setzen muss? Die Beantwortung dieser Frage ist mehrschich- tig. Ich versuche, es kurz und knapp zu sagen. Die Frage ist, wie eine zeitgemäße Staatlichkeit aussehen soll. In den kommenden Jahren soll der Online-Zugang zu Vorgängen der öffentli- chen Verwaltung die »Zettelwirtschaft« bei Be- hördengängen ersetzen. Wir wollen eine bürger- freundliche Dateninfrastruktur schaffen, Bür- gerkonten und elektronische Identitäten sollen etabliert werden. Die Zukunft einer modernen Verwaltung ist digital. Der Begriff »Staatsziel« ist ja nicht neu. Die digitale Grundversorgung ist Teil der allgemeinen Daseinsvorsorge. Im Klartext: Diese Leistung muss zur Verfügung stehen – wie Strom und warmes Wasser, weil sie unser Leben auch in anderen Lebensbereichen maßgeblich prägen wird. Wie wichtig die Digi- talisierung ist, wurde uns in den vergangenen anderthalb Jahren vor Augen geführt: Je digi- taler eine Volkswirtschaft aufgestellt war, desto besser hat sie die Krise gemeistert. Es war doch für manchen verstörend, dass Gesundheitsämter in den Kampf gegen Corona-Infektionsketten mit Kugelschreiber, Papier und Fax-Gerät ziehen mussten. Die Pandemie hat uns gezeigt, wie lang die Wege der Umsetzung mitunter sind. Das Thema Digi- 3 | 21 Digitale Grundversorgung: »Diese Leistung ist wie Strom und warmes Wasser!« talisierung habe ich umgehend nach Amtsantritt auf die Agenda gesetzt. Im Niedersächsischen Wirtschaftsministerium gibt es seit 2018 einen eigenen verantwortlichen Staatssekretär und eine Stabsstelle für Digitalisierung. Hier wird sehr gute Arbeit geleistet. Seit Mitte 2018 setzen wir Schritt für Schritt unseren Masterplan Digi- talisierung um. Er umfasst über 90 Maßnahmen, der Großteil ist erfreulicherweise bereits abge- arbeitet. Und: Wir erhöhen den Digitalisierungs- grad. Dabei spreche ich nicht nur von Schulen und Amtsgebäuden. Über das Programm »Digi- talbonus Niedersachsen« fördern wir kleine und mittlere Unternehmen, die Investitionen in ihre Strukturen planen, mit bis zu 10 000 Euro. Die- ses Programm ist eine Erfolgsgeschichte. Und zu Kugelschreiber, Papier und Fax würde ich gerne anmerken: Das sind Begriffe, die gerne verwen- det werden, weil sie so schön plakativ sind. Aller- dings bitte ich darum, dass jeder sich hinterfragt: Benutze ich selbst noch Stift und Zettel? Manchmal steht ein viertes »D« gegen Digitalisierung: Datenschutz. Können Sie nach- vollziehen, dass auch der Corona-Warn-App der Start so schwergemacht wurde? Ich bezweifle, dass Datenschutz gegen Digitali- sierung steht. Denn gerade, wenn wir über ein Staatsziel sprechen, müssen Daten so gut wie möglich geschützt werden. Auch den Daten- schutz gilt es zu modernisieren. Die Corona-App ist ein gutes Beispiel, wie digitale Prozesse funk- tionieren können und ständig angepasst werden. Zuerst ging es darum, eine geschützte Risiko- ermittlung zu etablieren. Nun wissen wir, dass Eincheck- und Impfzertifikatsfunktionen die Re- levanz der App ausmachen. Allerdings sollten wir solche Weiterentwicklungen der App auch den Nutzerinnen und Nutzern kontinuierlich besser vermitteln. Nicht nur in Deutschland gab und gibt es Dichtende und Denkende, aus dem alten Griechenland stammt der Spruch: »Steter Tropfen höhlt den Stein.« Was können wir also aus der Einführung der Corona-App lernen? Wir brau- chen eine breite Öffentlichkeitsarbeit, und zwar nicht erst kurz vor der Ziellinie, sondern bereits beim Startschuss. Entscheidend für den Erfolg ist, dass die Bürgerinnen und Bürger einen konkre- ten Mehrwert erkennen und akzeptieren. zurück zu Seite 1 23 h c o K s a b o T : i o t o F

3 | 21 Cyberangriffe und Online­Kriminalität stellen eine zunehmende Herausforderung dar. Der studierte Pädagoge Bernd Althusmann will Schülerinnen und Schüler spielerisch für künstliche Intelligenz und Startup­Kultur begeistern – unter anderem mit dem Wettbewerb »DigitalSTARTer«. die Kommunen, soweit sich die Betreiberinnen und Betreiber in kommunaler Trägerschaft befinden. Aber generell: Jede Meldung an das BSI ist ein Baustein zu mehr Sicherheit für uns alle. Sollte sich also zukünftig abzeichnen, dass Kommunen gezielt und gehäuft angegriffen werden, könnte es sinnvoll sein, sie in den Kreis der Meldepflichtigen aufzunehmen. Immerhin bedeutet ein mehrwöchiger Ausfall einer kom- munalen IT eine massive Einschränkung der Versorgungslage. Herr Althusmann, wir haben begon- nen mit dem Land der Dichter und Denker. Haben Sie eine Lektüre-Empfehlung zu einem Werk, das Ihnen durch die Corona-Krise gehol- fen hat? Da orientiere ich mich am niedersächsischen Dichter Wilhelm Raabe, der befand: »Es gehört zur Weisheit, gelegentlich ein bisschen töricht zu sein.« Damit will ich sagen, dass man über den eigenen Horizont schauen sollte und auch Expertisen »von außen« einholen darf. Deshalb empfehle ich das Buch »Schwacher Staat im Netz« von Martin Schallbruch. Der Titel klingt auf den ersten Blick staatskritisch, doch Martin Schallbruch ist ein angesehener Informatiker, der 18 Jahre lang in verschiedenen Abteilun- gen des Bundesinnenministeriums tätig war. Sein Buch ist dabei so geschrieben, dass es auch Nichtinformatikerinnen und Nichtinformatiker wie ich gut lesen können. 2017 Kanzlerin Angela Merkel unterstützt den Spitzenkan­ didaten für die Landtagswahl – und das nicht nur mit Körpereinsatz. 2017 Bernd Althusmann mit Familie bei der Trauung von Ernst August Prinz von Hannover. Er ist in zweiter Ehe verheiratet. 2019 Ein Prosit auf die Zukunft: Wirt­ schaftsminister Bernd Althusmann beim Sommerfest der niedersäch­ sischen Landes­ regierung. zurück zu Seite 1 25 Georg Thiel hat erst kürzlich erklärt, er halte die Gefahr von Cyberangriffen auf die kommende Bundestagswahl für hoch. Die Behörden tref- fen dafür bereits koordinierte Vorbereitungen. Auch Cyber-Spionage bei den Parteien ist ein wichtiges Thema, das wir sehr ernst nehmen. Im Januar gab es bekanntermaßen Cyber-An- griffe beim ersten digitalen CDU-Bundespar- teitag auf die Server der Union. Die Partei war jedoch auf diesen Fall vorbereitet und konnte die Angriffe abwehren. Wir sind also als Partei durchaus mit diesem Thema befasst und wer- den weiterhin wachsam bleiben und unsere Strukturen stetig weiter verbessern. Über Wochen und Monate hat eine Internet-Attacke den sachsen-anhaltinischen Landkreis Anhalt-Bitterfeld in der Verwaltung lahmgelegt. Wir haben ein IT-Sicherheitsge- setz, das Betreiber kritischer Infrastrukturen verpfli htet, Cyberangriffe sofort ans Bundes- amt für Sicherheit in der Informationstechnik BSI zu melden. Brauchen wir nach der Attacke auf eine Landkreis-Verwaltung auch eine Informationspfli ht für die 294 Landkreise und 11 000 Kommunen in Deutschland? Leider findet man Beispiele für Cyberangriffe inzwischen auch in Niedersachsen. Und so- bald kritische Infrastrukturen – ich spreche beispielsweise von Krankenhäusern, Wasser- werken und Verkehrsunternehmen – betroffen sind, trifft diese Meldepflicht auch jetzt schon ) 3 ( s e g a m i o g a m i , a p d / e t l u h c s n e t a r t S n a i l u J , ) 3 ( s e g a m i p d d , t a v i r p : s o t o F

E twa 50 000 Nierensteine werden in Deutschland endoskopisch ent- fernt, und das Jahr für Jahr. Mit- hilfe eines speziellen Lasers lassen sich die Steine zuverlässig zertrümmern und die größeren Bruchstücke durch einen Greifer ab- transportieren. Ungelöst blieb das Problem der vielen winzigen Trümmerteile, häufig kleiner als ein Millimeter. Eine wirksame Methode, diesen Steingries zu entfernen, gab es bisher nicht. Eine Lösung präsentiert jetzt das Medizintechnik- unternehmen Purenum GmbH. Das Spin-off aus dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Bremen dosiert über einen durch das Endoskop geführten Katheter eine transparente Flüssigkeit ins Innere der Niere. Diese umfließt die winzigen Steinsplitter, die der Greifer nach der Zertrümme- rung nicht entfernen konnte. Anschließend wird eine zweite Flüssigkeit aufgebracht, die innerhalb weniger Sekunden eine Gelbildung auslöst. Nun fasst der Greifer das Gel und transportiert es samt den Splittern ab. Entwickelt wurde die Technik von einer Projekt- gruppe am Fraunhofer IFAM unter Leitung von Dr. Ingo Grunwald. Gleichzeitig arbeitete sein Kol- lege Manfred Peschka am Unternehmenskonzept. »Ursprünglich war es der Anruf eines Urologen gewesen, der uns auf die Idee gebracht hat«, er- zählt Grunwald. »Er hatte uns von seinem Ein- fall erzählt, eine Art klebriger Flüssigkeit könnte den Steingries in der Niere einsammeln. Dann haben wir uns an die Arbeit gemacht.« Das Insti- tut konnte hier seine langjährige Kompetenz bei Werkstoffen und insbesondere im Bereich Kleben einbringen. Unterstützt wurde das Projekt von Prof. Bernd Mayer, Institutsleiter des Fraunhofer IFAM. Auch er war schnell überzeugt: »Die Idee ist einfach gut. Deshalb haben wir das Vorhaben von Anfang an mitgetragen.« Nachdem die Untersuchungen und Labortests ergeben hatten, dass das Konzept funktionieren würde, gründeten Grunwald und Peschka im De- zember 2017 das Spin-off Purenum GmbH. Erste Mission des Unternehmens war die Entwicklung des Hydrogel-Systems mediNiK zum Entfernen von Nierensteinfragmenten. Das Hydrogel-System besteht aus zwei dünnflüssigen Komponenten. »Der Katheter, der durch das Endoskop geführt wird und die Flüssigkeit in das Innere der Niere bringt, hat einen Innendurchmesser zwischen 0,6 und 0,7 Millimeter. Die Flüssigkeit muss daher Von mediNiK umhüllte Stein reste werden mit einem Greifer gefasst und angehoben. »Die Idee ist einfach gut.« Prof. Bernd Mayer, Fraunhofer IFAM 3 | 21 wirklich dünn wie Wasser sein«, erklärt Peschka. Erst dann wird die zweite Flüssigkeit appliziert und beide zusammen bilden ein elastisches Gel. Stabil genug, um den Steingries festzuhalten, fle- xibel genug, um vom Greifer an der Spitze gepackt und durch die Harnröhre nach außen gezogen zu werden. Die Niere wird von den restlichen Frag- menten befreit und kann vollständig und schmerz- frei ausheilen. »Um eine wirklich praxisgerechte Lösung zu finden, hat das Purenum-Team mit 40 Ärztinnen und Ärzten zusammengearbeitet, jeden ihrer Handgriffe beobachtet, wenn sie Nierensteine ent- fernten, und sie nach ihren praktischen Anfor- derungen befragt«, erzählt Purenum-Geschäfts- führer Peschka. So müssen die Komponenten eingefärbt sein, damit die Ärztin oder der Arzt während der Ope- ration auf dem Videobildschirm sieht, wo genau die Flüssigkeiten in der Niere sind und ob sie die winzigen Trümmer auch erfasst haben. Die erste Komponente ist blau, die zweite gelb eingefärbt. »Die Entwicklung des Farbstoffs hat uns einige Kopfschmerzen bereitet«, erzählt Peschka. Dieser muss gleich mehrere Anforderungen erfüllen. Er darf das Innere des Organs nicht einfärben, die Materialeigenschaften der Flüssigkeiten nicht ver- ändern und muss gleichzeitig transparent sein. Doch auch diese Hürde wurde genommen. Die Behörden sind von der Qualität des Hydrogels und insbesondere seiner biologischen Verträglichkeit für den Menschen überzeugt. Gerade hat mediNiK die Zertifizierung als Medizinprodukt erhalten. Ab Anfang 2022 kann es für alle Nierenstein-Pa- tienten zum Einsatz kommen. Es wird nicht das einzige Produkt des Fraun hofer- Spin-offs bleiben. Purenum arbeitet an sogenann- ten biomimetischen Klebstoffen. Diese könnten eines Tages beispielsweise zur Behandlung von Knochenbrüchen eingesetzt werden. Gerade bei den kleinen Handgelenksknochen ist es oft nicht möglich, die Splitter via Draht so zu befestigen, dass der Knochen perfekt zusammenwächst. Durch einen medizinischen Klebstoff könnten auch Knochensplitter und komplizierte Brüche präzise zusammengefügt werden und damit per- fekt ausheilen. Video zum Thema: https://purenum.com/produkte.html zurück zu Seite 1 27 H b m G m u n e r u p ; e i z n e k c a M n i v e K / n e e d r e b A f o y t i s r e v i n U / y r a r b i L o t o h P e c n e i c S : s o t o F

3 | 21 Nose2Brain – durch die Nase direkt ins Gehirn Über die Riechschleimhaut lässt sich die Blut-Hirn-Schranke umgehen Neuer Pfad für Medikamente Die Riechschleimhaut ist so groß wie eine Briefmarke und liegt im Dach der oberen Nasenhöhle. Sie hat eine direkte Verbindung zum Bulbus olfactorius, dem Riech- kolben des Gehirns. Im Projekt N2B-patch nutzt das Forschungs- team den Weg über die Riech- schleimhaut, um Medikamente ins Gehirn zu schleusen. Bulbus olfactorius (Riechkolben) Riechschleimhaut Bulbus olfactorius (Riechkolben) Riechnerv Siebbein Nervenfasern Antikörper Riechschleimhaut Riechzellen Hydrogel Partikel zurück zu Seite 1 29 Löchriger Schädelknochen als Schlupfloch Um therapeutische Antikörper ins Gehirn zu schleusen, werden sie in Partikel verpackt. Die Partikel werden gemeinsam mit einem Hydrogel auf die Riech- schleimhaut appliziert. Die Antikörper lösen sich aus den Partikeln und wandern in die Riechschleimhaut ein. Von dort nutzen sie den Weg entlang der Nervenfasern und durchdringen so das Siebbein, einen Schädel- knochen, der von vielen Löchern durchzogenen ist. Weiter geht es in den Riechnerv und damit in den Riechkolben des Gehirns. e u s s i 2 : n o i t a r t s u l l I

D ie jüngsten Wetterkatastrophen wirken wie Vorboten dessen, was kommen kann. Die Wissenschaft ist sich einig: Durch den Klima- wandel werden Naturgefahren wie Hitzewel- len, verheerende Sturzfluten und Waldbrände häufiger. Drei Felder stehen für mich im Mit- telpunkt, um den Klimawandel und dessen Folgen zu begrenzen: 1. Ein globaler, zunächst aber mindestens EU-weiter Markt für CO2-Emissionszertifikate. Richtig ausgestaltet ist es der effizienteste Weg, Emissionen zu reduzieren und dabei klare Preissignale zu senden. Zudem ist die ungefäh- re Preisentwicklung für die Unternehmen aller Branchen antizipierbar. Sie müssen so keine Adhoc-Anpassungen befürchten. Für die Han- delsperiode bis 2030 sind die Emissionsmengen im Handelssystem der EU zwar festgelegt, nun muss diese Mengensteuerung jedoch zügig und stimmig mit den politisch gesetzten Zeitzielen bis hin zu »Net-Zero« angepasst werden. 2. Die Entwicklung neuer Technologien für eine klimafreundliche Wirtschaft. Die Trans- formation in eine kohlenstoffarme Wirtschaft bedarf einer Stimulierung von Technologien und Innovationen in exponentiellem Aus- maß. Deutschland benötigt dringend eine Innovations- und Aufbruchmentalität, denn das Know-how für die Technologien der Zu- kunft ist vorhanden. 3. Prävention, um die jetzt schon unvermeid- baren Folgen der globalen Erwärmung abzu- mildern. Ein umfassendes Katastrophenma- nagement mit Fokus auf Schadensvorbeugung und Stärkung der Resilienz wird nicht nur menschliches Leid reduzieren, sondern auch ein zunehmend relevanter Faktor im interna- tionalen Wettbewerb um Standortvorteile sein. Was man damit nicht sinnvoll verhindern kann, lässt sich meist mit Versicherung abde- cken. Egal ob rein privatwirtschaftlich oder ge- meinsam mit dem Staat, ein Risikotransfer muss dabei mit Preisen verbunden sein, die das Ri- siko möglichst genau widerspiegeln. Nur so ver- stehen Verbraucher, Unternehmen und Gesell- schaft die Risiken und haben den Anreiz, diese zu reduzieren. Aufgabe der Versicherer ist es, mit Wissen und Daten die Basis dafür zu liefern. »Wir kooperie­ ren vielfach mit Fraunhofer, zum Beispiel beim Betrieb von Testfeldern für Photo­ voltaik­Systeme oder dem Aufbau eines Wind energie­ Datenpools.« Dr. Torsten Jeworrek Ist seit 2002 Mitglied des Vorstands der Münchner Rück AG, die heute Munich Re heißt. Begann seine Laufbahn bei der Münchner Rück 1990 als Underwriter in der Abteilung Vertrag Feuer. 1997 übernahm er die Referatsleitung im Geschäftsbereich Sach/ Feuer, anschließend die Abteilungsleitung Re- insurance und Retrozes- sion, 2001 die Leitung des Geschäftsbereichs Nieder- lande, Nordische Länder, UK und Irland. Wurde 1961 in Oschers- leben (Sachsen-Anhalt) geboren und studierte Mathematik an der Uni- versität Magdeburg. Nach seiner Promotion arbeite- te er dort vier Jahre lang als wissenschaftlicher Mitarbeiter. zurück zu Seite 1 3 | 21 Als Risikoträger nehmen wir den Klimawan- del sehr ernst. Wir befassen uns seit fast fünf Jahrzehnten mit dessen Folgen. Auf beiden Seiten der Bilanz – bei Kapitalanlagen und dem Versicherungsgeschäft – kümmern wir uns um geringere Emissionen. Wir sehen uns bei der Markteinführung und Skalierung er- neuerbarer Energien und anderer Klimatech- nologien in einer wichtigen Rolle, durch spezi- fische Risikolösungen diese Technogien leich- ter finanzierbar und investierbar zu machen. Ein paar Beispiele: Seit vielen Jahren de- cken wir Leistungsgarantien für Photovoltaik- module, Ähnliches folgt nun für große Strom- speicher. Wir versichern die Folgen von zu wenig oder zu viel Wind für die Ausbeute von Offshore-Windanlagen. Wir arbeiten intensiv an Versicherungslösungen für Wasserstoff- Technologien. Wir befassen uns also ausgiebig mit den Technologietrends und den spezifi- schen Anforderungen einer klimafreundlichen Wirtschaft, um Know-how, Experten und dann letztlich auch passende Risikomanagement- Lösungen zu haben. Eigenes Wissen und Daten sind für Versi- cherer dabei eine wichtige Grundlage – aber nicht ausreichend. Es bedarf auch enger Ver- bindungen zur Forschung, insbesondere zur angewandten Forschung, wie sie von der Fraun- hofer-Gesellschaft betrieben wird. Ihre For- schungsprojekte zur besseren Wasserspeiche- rung in Städten bei Starkniederschlägen durch „Urbanes Grün“ oder zu Speichersystemen in Straßen sind für uns als Versicherer besonders relevant. Vielfach kooperieren wir daher mit Fraunhofer, zum Beispiel beim Betrieb von Testfeldern für Photovoltaik-Systeme oder dem Aufbau eines Windenergie-Datenpools. Alles sehr umsetzungsnahe Projekte und wichtig für Investoren in künftige Technologien. Solche Technologien braucht es für den Kampf gegen den Klimawandel, sonst wäre Klimaschutz nur mit großem Wohlstandsver- zicht möglich. Der Weg über neue Technolo- gien hat zudem einen unschätzbaren Vorteil, der weit über die Erfüllung von Klimazielen hinausgeht: Wir würden damit in Deutsch- land und Europa sprunghaft die Wettbewerbs- fähigkeit in zentralen Zukunftstechnologien erhöhen. Und wir würden unser Schicksal wieder beherzt in die Hand nehmen – etwas, das diesem Land sehr guttun würde. 31 l n n a m h o P s a e r d n A / e R h c i n u M : o t o F

E infach am Zielort aussteigen und dem Auto die Parkplatz- suche überlassen? Noch fünf Jahre, schätzt Dr. Michael Mock, Privatdozent und wissenschaftli- cher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informati- onssysteme IAIS, dann könnte der Traum in Erfüllung gehen. Künstliche Intelligenz (KI) soll es möglich machen. Allerdings: Wer würde sein Fahrzeug einer KI über- lassen, der er nicht vertrauen kann? Schließlich möchte man sichergehen, dass das autonom durch das Stadtviertel kurvende Auto auf der Suche nach einem Parkplatz keinen Schaden nimmt – und keinen Schaden verursacht. Noch ist die Skepsis groß. Laut einer Um- frage des deutschen Digitalverbandes Bit- kom vom September 2020 verlangen neun von zehn Befragten, dass KI-Systeme vor einer Zulassung »besonders gründlich« ge- prüft sein müssen. Das zeigt die Sorge. Die Hoffnung: Gleichzeitig bewerteten zwei Drittel die Chancen, die mit der Techno- logie einhergehen, als enorm. Vertrauen in KI: Genau daran arbeitet Michael Mock mit seinen Kolleginnen und Kollegen am Fraunhofer IAIS. »Künstliche Intelligenz ist die Schlüsseltechnologie, mit der wir die Digitalisierung entschei- dend voranbringen können – vorausgesetzt, uns gelingt es, das Vertrauen in sie zu fördern«, ist Mock überzeugt. Während herkömmliche Software auf Grundlage von Algorithmen funktioniert, die vom Entwickler vorgegeben werden, werden KI-Systeme mit einer großen Menge an Beispieldaten gefüttert, aus denen sie selbstständig lernen und Regeln ableiten (»Maschinelles Lernen«). Welche das sind, bleibt im Verborgenen. Selbst im Nachhi- nein lassen sie sich oft nur zum Teil oder gar nicht ermitteln – der Nutzer muss da- rauf vertrauen, dass die KI zu den richtigen Schlüssen kommt. In dem Projekt »Zertifizierte KI« ent- wickeln Mock und das Fraunhofer IAIS- Team Methoden und Maßnahmen, mit denen sich KI-Systeme absichern lassen. Im Juni haben die Forschenden einen »Leit- faden zur Gestaltung vertrauenswürdiger Künstlicher Intelligenz« veröffentlicht, der kostenlos im Internet zur Verfügung steht. Auch die EU sieht Handlungsbedarf. Im April legte sie den weltweit ersten rechtli- chen Rahmen für KI vor. »Bei Künstlicher Intelligenz ist Vertrauen ein Muss und kein Beiwerk«, betonte Kommissionsvi- zepräsidentin für Digitales Margrethe Ves- tager. KI, die die Sicherheit, die Lebens- grundlagen und die Rechte von Menschen bedroht, soll verboten werden, Systeme mit hohem Risiko müssen strenge Vor- gaben er füllen, bevor sie auf den Markt kommen. »Der EU-Vorschlag für die Regu- lierung von KI ist sehr gut«, urteilt Mock. »Bei Künstlicher Intelligenz ist Vertrauen ein Muss und kein Beiwerk.« Margrethe Vestager, EU­Kommissions­ vizepräsidentin für Digitales »Es werden sinnvolle Anforderungen ge- stellt – allerdings kaum Maßnahmen ge- nannt, wie sie erfüllt werden können. Da ist unser Leitfaden schon deutlich konkre- ter.« Das 160 Seiten umfassende Werk soll Entwicklern helfen, von Anfang an alle relevanten Kriterien zu berücksichtigen. »Es gibt eine Vielzahl von Risiken, die es zu bedenken gilt – aber auch Möglichkei- ten, damit umzugehen«, sagt Mock. Jedes Prüfverfahren beginnt mit der Risikoanalyse. Sie erfolgt systematisch nach grundlegenden Anforderungsberei- chen, den sechs »Dimensionen der Vertrau- enswürdigkeit«: Fairness, Zuverlässigkeit, Autonomie und Kontrolle, Transparenz, Sicherheit, Datenschutz. »Nicht jede Dimen- sion ist für jeden Anwendungsfall relevant«, betont Mock. So spiele beispielsweise für eine KI-gesteuerte Farbmischmaschine in der industriellen Produktion die Dimen- sion Fairness, also die Frage danach, ob die KI alle Betroffenen fair behandelt, kei- ne Rolle – im Unterschied zu einer auto- matisierten Bewerberauswahl. Hier ist es entscheidend, der KI in der Trainingspha- se die richtigen Beispiele zur Verfügung zu stellen, um eine Benachteiligung auf- 3 | 21 grund von Geschlecht, Alter, Religionszu- gehörigkeit, Hautfarbe oder Ethnie zu ver- meiden. Beispiel Amazon: 2018 machte der Digitalkonzern publik, dass sein KI-System männliche Bewerber bevorzugt hatte, weil in den zugrundeliegenden Beispieldaten Frauen unterrepräsentiert waren. Beispiel Twitter: Hier begünstigte die Bildbeschnei- dungsautomatik weiße Frauen, die be- stimmten Schönheitsidealen entsprachen. Als Konsequenz schaltete der Konzern die Software vor Kurzem ab. »Das zeigt, wie wichtig es ist, die Trainingsdaten für die KI sorgfältig auszuwählen. Oft transpor- tieren sie menschliche Vorurteile«, warnt Mock. Darüber hinaus gebe es mathema- tische Methoden, mit denen man sicher- stellen könne, dass alle betroffenen Grup- pen fair berücksichtigt werden. Sie sind im kürzlich entwickelten Leitfaden be- schrieben, ebenso wie Überprüfungsmög- lichkeiten. Für das autonome Fahren spielen alle sechs Dimensionen der Vertrauenswür- digkeit eine Rolle. Zusammen mit Volks- wagen leitet Mock stellvertretend das Pro- jekt »KI-Absicherung« für automatisierte Mobilität und übernimmt auch die wis- senschaftliche Koordination. Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie haben sich hier große deut- sche Automobilhersteller, Zulieferer, Tech- nologie-Unternehmen und Forschungs- institutionen zusammengeschlossen. Das Gesamtbudget beträgt 41 Millionen Euro. Von zentraler Bedeutung für die Vertrau- enswürdigkeit der KI im Auto und zu- gleich das Spezialgebiet Mocks: die Zuver- lässigkeit. Auch hier ist die Auswahl der Beispiele entscheidend, mit denen die KI trainiert wird. Dafür legt das Fraunhofer IAIS-Team zunächst die Rahmenbedin- gungen fest, unter denen die Wahrneh- mungsmodule, beispielsweise die Fußgän- gererkennung, funktionieren sollen. Wie jedes andere Softwaresystem benötigt KI einen genau definierten Betriebsbereich, der im Kontext des autonomen Fahrens als Operational Design Domain, kurz ODD, bezeichnet wird. »Man spezifiziert also, für welche Anwendungsfälle die KI getestet worden ist und wo sie zuverlässig funktioniert«, erklärt Mock. Dann wer- den die Beispielbilder künstlich per zurück zu Seite 1 33 r e n t i e L a l i e n a D : n e n o i t a r t s u l l I

3 | 21 Staffellauf des Wissens zurück zu Seite 1 35

3 | 21 Staffellauf des Wissens Klimawandel, erneuerbare Energien, Industrieland: Herr Prof. Neugebauer, was macht Ihnen Hoffnung, dass der Strukturwandel gelingt? zurück zu Seite 1 35

tute der University of Strathclyde (GB) füh- ren Fraunhofer-Aktivitäten zu Investitions- effekten in der Wirtschaft von mehr als 15,2 Milliarden Euro – und zu einer maßgeblichen Steigerung der Vollzeitarbeitsplätze. Erst die- ses Jahr hat Fraunhofer in Leuna, Görlitz und Bremerhaven in Form der Hydrogen Labs drei international einzigartige Kooperationsplatt- formen für Forschung und Industrie geschaf- fen. Sie decken den gesamten Prozess von der CO2-neutralen Stromer zeugung durch Offshore- und Onshore-Energiegewinnung über die Optimierung der Elektrolyse und die Produktion der dabei eingesetzten Anlagen bis zur Nutzung – beispielsweise in der Che- mischen Industrie –, Speicherung und dem Transport von Grünem Wasserstoff ab. Wegbereiter für die Wasserstoffwirtschaft Die digital vernetzte Infrastruktur bietet Test- und Qualifizierungskapazitäten für die notwendigen Elektrolyse- und Brennstoff- zellensysteme von über 25 Megawatt, um den benötigten Markthochlauf von grünen Wasserstofftechnologien zu beschleunigen. Damit stellen die Hydrogen Labs einen wich- tigen Wegbereiter für eine zukunftsfähige und nachhaltige Wasserstoffwirtschaft dar. Neben der Entwicklung von neuen Technolo- gien hat sich Fraunhofer aber auch selbst am- bitionierte Ziele zum Klimaschutz gesetzt. Bis 2030 wollen wir klimaneutral sein. Zum einen durch eine emissionsarme Bewirtschaftung unserer Gebäude und eine klimafreundliche Beschaffung, zum anderen aber auch durch CO2-neutrale Mobilität und Technologiepro- jekte zur Kompensation verbleibender Emis- sionen. Entscheidend für die Technologieentwick- lung und damit auch die erfolgreiche Gestal- tung des Strukturwandels, ist die enge Zusam- menarbeit mit der Industrie und kommunalen Akteuren vor Ort, wie es auch bei den Hydro- gen Labs der Fall ist. Eine repräsentative Mei- nungsumfrage in Bautzen und Görlitz zeigt: Die Mehrheit der Bevölkerung hält es für wich- tig, die Menschen vor Ort in die aktive Gestal- tung des Strukturwandels einzubeziehen, um die Zukunft als Energiestandort zu sichern. Als wichtige Faktoren für die wirtschaftliche 3 | 21 Entwicklung werden unter anderem die Schaf- fung von Arbeitsplätzen (87 Prozent) und die Ansiedlung von Bildungs- und Forschungs- einrichtungen (68 Prozent) genannt. Mit einer engen lokalen Zusammenarbeit stellen wir zum einen sicher, dass die Techno- logien stets an den aktuellen Bedarfen der Wirtschaft ausgerichtet sind, zum anderen können wir den Transfer von Beginn an in die Entwicklung einbeziehen. Damit meine ich sowohl, Schlüsseltechnologien in die indust- rielle Nutzung zu bringen, als auch Akzeptanz in der Bevölkerung für deren Nutzung zu schaf- fen. Beides sind wichtige Erfolgsfaktoren für das Gelingen des Strukturwandels. Prof. Reimund Neugebauer, Präsident der Fraunhofer­ Gesellschaft Als Partner von Wirtschaft und Politik unterstützt Fraunhofer Unternehmen, sich den strukturellen Veränderungen mit neuen Technologien und Geschäfts- modellen zu stellen und strategisch auf dem Markt zu positionieren. Die Erfolge sind messbar. zurück zu Seite 1 37 r e b u H d r a h n r e B : s o o t t o o F F :

3 | 21 Ein Beispiel ist hier die zunehmende Digita- lisierung in der Gesundheitswirtschaft oder Bioökonomie, die mit einer zielgruppenge- rechten Aus- und Weiterbildung von Fach- kräften einhergehen muss. Für eine erfolgreiche Verknüpfung von Systemen im Rahmen der Sektorkopplung und zirkulären Wirtschaft werden sowohl Normung und Standardisierung als auch Transparenz und Partizipation ausschlaggebend sein. Bei alldem spielt im Übrigen auch der Einbezug regionaler Gegebenheiten eine wichtige Rolle. Historisch gewachsene wirtschaftliche und gesellschaftliche Strukturen beeinflussen den Bedarf an neuen Technologien und das Tem- po ihres Transfers. Deshalb ist es wichtig, die- se regionalspezifischen Besonderheiten zu be- rücksichtigen und innovative Lösungs ansätze für die und gemeinsam mit den Regionen zu entwickeln und zu etablieren. Insbesondere Unternehmen mit weniger als 250 Beschäftigten spielen in diesem Kon- text eine wichtige Rolle. Laut dem Stifterver- band für Deutsche Wissenschaft erwirtschaf- ten diese zwar rund 30 Prozent des Umsatz- volumens in Deutschland, verausgaben jedoch bislang nur 8 bis 12,5 Prozent des gesamten Forschungs- und Entwicklungsbudgets deut- scher Unternehmen. Das Zusammenspiel aller Faktoren ist entscheidend Im zweiten Schritt gilt es, die Regionen und Akteure revier- und branchenübergreifend zu vernetzen und aktuelle Entwicklungen in der Politik, auf dem Markt und in der Gesellschaft miteinzubeziehen. Beispielsweise die Zielset- zungen im Rahmen des Klimaschutzgesetzes, aktuelle Rohstoffpreise oder das Prinzip von Angebot und Nachfrage. Insbesondere, wenn es um Lösungen für eine breite Anwendung geht, die – um beim Beispiel Wasserstoff zu bleiben – Infrastruktur und Logistik erfordern. Das Zusammenspiel aller Faktoren – die beschleunigte und effiziente Einführung neu- er Technologien in den Markt, eine breite Ak- zeptanz in der Nutzung und eine schnelle Anpassung an regionalspezifische und über- regionale neue Entwicklungen in Gesellschaft, Politik und Markt – ist entscheidend für das Gelingen des Strukturwandels. 38 Staffellauf des Wissens 2 Herr Prof. Welf-Guntram Drossel, wann werden wir mit Elektro- oder Wasser- stoff antrieben genauso weit reisen können wie mit Verbrennungs- motoren?

3 | 21 zurück zu Seite 1 41

3 | 21 »Die Kunst besteht darin, mit nicht fälschbaren, informationstechnischen Mitteln nachvollziehbar zu machen, dass das System vertrauenswürdig ist.« Prof. Claudia Eckert, Fraunhofer AISEC zurück zu Seite 1 43 43

Entwicklungs- und Produktionsdaten, Patientendaten und vielem mehr. Alle diese Informationen werden heutzutage auf Servern, in der Cloud, gespeichert. »In vielen Fällen muss der Nutzer dem Cloud-Provider blind vertrauen, der die Daten speichert. Er erfährt meist nicht, wie gut sie geschützt sind, wo sie verar- beitet werden oder wer im Einzelnen darauf Zugriff hat«, sagt Eckert. Um das zu ändern, arbeitet sie an Sicherheitslösungen, die unter dem Begriff Confiden- tial Computing zusammengefasst werden. Damit wer- den auf Speicherplattformen kontrollierbare Bereiche geschaffen, in denen die Daten geschützt vor unbe- rechtigten Zugriffen verarbeitet werden. Das System kontrolliert und garantiert zudem, dass die Regeln zur Datennutzung und Weitergabe eingehalten wer- den, die den zu verarbeitenden Daten vom Eigentümer mitgegeben werden. Confidential Computing kann das Vertrauen der Kunden erhöhen, wenn es darum geht, Daten aus der Hand zu geben. »Die Kunst besteht darin, mit nicht fälschbaren, informationstechnischen Mitteln nachvollziehbar nachzuweisen, dass das Sys- tem vertrauenswürdig ist«, so Eckert. Mehr Sicherheit durch geteilte Fertigung Wenn eine Firma Elektronik-Komponenten im Aus- land herstellen lässt, kann es immer wieder vorkom- men, dass irgendwo auf dem langen Fertigungsweg eines der beteiligten Unternehmen das Vertrauen missbraucht. Zum Beispiel lässt sich das Layout von Computerchips so manipulieren, dass eine Trojaner- Funktion gleich in die Struktur eingearbeitet wird. Auch besteht die Gefahr, dass wertvolle Chiplayouts abgekupfert werden und Chips von Raubkopierern gefertigt werden. Viele Firmen gehen daher dazu über, Chips, die in Dutzenden von Produktionsschritten entstehen, von mehreren Firmen teilweise aufbau- en zu lassen – damit keine das komplette Chiplayout kennt. Split-Manufacturing – geteilte Fertigung – heißt diese Strategie. Auf Schutz kommt es vor allem bei sicherheits- relevanten Komponenten an, etwa für Medizingeräte oder für Banken. Um zu verhindern, dass Elektronik- bauteile auf der langen Reise durch die Fertigung ma- nipuliert werden, können diese fälschungssicher um- hüllt werden. Wie man das macht, weiß Georg Sigl. Sigl ist ebenfalls Professor für Sicherheit in der Informa- tionstechnik an der TUM und gehört der Leitung des Fraunhofer AISEC an. Eine seiner Spezialitäten sind PUFs, Physical Unclonable Functions, nicht ko- pierbare, physische Eigenschaften. Dabei geht es da- rum, die äußeren, die physischen Merkmale elektro- nischer Bauteile zu nutzen, um sie unfälschbar zu »Damit können wir die Chips einfach anpassen und so auch vielfältige Sicherheits­ funktionen für die Ver schlüsse­ lung von Daten realisieren.« Carsten Rolfes, Programmleiter »Trusted Electronics« am Fraunhofer IMS 3 | 21 machen. Das Fraunhofer AISEC hat unter anderem eine Schutzfolie entwickelt, die sicherheitsrelevante Elektronikbauteile umhüllt. Sigl erklärt: »Die Folie enthält eine Doppelschicht feiner Drähte, zwischen denen kleine Kondensatoren mit messbaren Kapazi- täten entstehen. Bei der Fertigung werden die Kapa- zitäten als charakteristisches Merkmal vermessen und im Bauteil als Sicherheitsschlüssel hinterlegt.« Schaltet man das Gerät später an, werden zunächst die Kapazitäten der Folie gemessen und daraus der Schlüssel abgeleitet, den das Gerät zum Entschlüsseln der Software für das Hochfahren benötigt. Sollte ein Angreifer während der Produktion die Folie beschä- digt oder ausgetauscht haben, um das Innenleben zu manipulieren, stimmt der Schlüssel nicht mehr. Zum Thema Sicherheit kam Sigl in den 90er-Jah- ren. »Es hatte für mich etwas Geheimes und Unbe- kanntes«, erzählt er. »Die Herausforderung in unserem Forschungsgebiet liegt darin, dass durch die enge Ver- zahnung von Technologie, Architekturen und Algo- rithmen immer wieder neue Angriffe entdeckt werden – aber auch neue Ideen für Gegenmaßnahmen ent- wickelt werden können.« Letztlich geht es den Firmen, Forscherinnen und Forschern aber nicht nur um Sa- fety und Security, sondern auch darum, die Hoheit über die eigenen Daten und die Fertigung zu behalten. Dazu soll auch eine neue Technologie beitragen, mit der sich seit einigen Jahren gleich mehrere Fraunho- fer-Institute befassen – die »RISC-V-Befehlsarchitek- tur«, mit der das Gehirn der Mikrokontroller in Form eines Rechenwerks definiert wird. Heute basiert die Funktionalität von Mikrokontrollern weltweit zum großen Teil auf ein- und demselben Verfahren, der Befehlsarchitektur der Firma ARM. Nutzt man sie, werden Lizenzgebühren fällig. Das ist wie bei einem Architekten, der zwar für den Grundriss, das Dach und die Innenausstattung verschiedene Elemente aus einem Baukasten auswählen und so verschiedene Versionen von Häusern bauen kann, aber der »Bau- kasten« kommt von ARM. Die einzelnen Elemente dürfen nicht verändern werden. Das schränkt die Frei- heit der Entwicklerinnen und Entwickler ein. Hinzu kommen die Lizenzgebühren. Daher haben Informatiker der University of California vor gut zehn Jahren eine Alternative entwickelt, die weltweit kos- tenlos verfügbar ist – RISC-V. »Damit können wir die Chips einfach anpassen und so auch vielfältige Sicher- heitsfunktionen für die Verschlüsselung von Daten realisieren – insbesondere auch die Post-Quantum- Krypto graphie«, sagt Carsten Rolfes, Programmleiter »Trusted Electronics« am Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS. Dahinter steckt die Sorge, dass heutige Verschlüsse- zurück zu Seite 1 45

lungsverfahren künftig durch superschnelle Quanten- computer ausgehebelt werden könnten. Die Post-Quan- tum-Kryptografie soll diesen Rechnern Paroli bieten. Mithilfe von RISC-V ließen sich entsprechend sichere Prozessoren und Mikrokontroller herstellen – beispiels- weise für Medizingeräte. Die könnten dann auch kom- plett in Deutschland und Europa gefertigt werden. Wenn die weltweiten Lieferketten wie zuletzt aufgrund der Pandemie ins Stocken geraten, bietet 3D-Druck einen möglichen Ausweg, die Produktion aufrechtzu- erhalten – zumindest von wichtigen Bauteilen. Bis zu 70 Prozent schneller produzieren Am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU wurde in den vergangenen Jahren ein 3D-Druckverfahren entwickelt, das einen wesentlichen Nachteil der Technologie überwindet: Es ist deutlich schneller als herkömmliche Verfahren und ermöglicht so eine flexible Fertigung im Krisen- fall. Die Idee: Die Fraunhofer IWU-Forschenden ver- knüpfen eine Kunststoff-Spritzeinheit mit dem 3D- Druck, was das Verfahren erheblich beschleunigt. Damit der flüssige Kunststoff in hohem Tempo zum 3D-Bauteil zusammengefügt werden kann, wurde die Anlage mit einem beweglichen Tisch versehen, der das Bauteil rasend schnell unter der Düse hin und her bewegt. Das Konzept mit dem Namen SEAM wird bereits von mehreren Herstellern eingesetzt. »Wir können damit pro Sekunde einen Materialstrang von einem Meter Länge fertigen«, sagt Entwickler Christopher Schlegel. Insgesamt verkürzt sich die Produktionszeit um bis zu 70 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen. Die SEAM-Technologie ist vor allem für große Kunststoff-Komponenten von bis zu zehn Metern Län- ge geeignet. So lassen sich beispielsweise große Struk- turen für Fahrzeuge und Bahnen oder auch Werk- zeuge und Spannvorrichtungen für die Fertigung von Kunststoffbauteilen schnell und kostengünstig her- stellen. Das Fraunhofer IWU kooperiert mit zahlrei- chen Industriepartnern im Automobil- und Maschi- nenbau. Die Anlage ist so klein, dass sie sich im Krisenfall in einen Container verpacken und zum Einsatzort bringen lässt. Dort kann sie Kunststoff- teile auf Wunsch herstellen. An solchen 3D-Druck-Containern arbeitet Markus Heilemann von der Fraunhofer-Einrichtung für Ad- ditive Produktionstechnologien IAPT zusammen mit seinem Team. »Die Anlagen werden exakt auf den Con- tainer zugeschnitten. Im Grunde ist der Container selbst der 3D-Drucker«, sagt er. Dabei nutzen die Fraun- »Wir können damit pro Sekunde einen Material­ strang von einem Meter Länge fertigen.« Christopher Schlegel, Entwickler am Fraunhofer IWU 3 | 21 hofer IAPT-Experten ganz verschiedene Drucktech- nologien – Kunststoffdruck oder auch Druck aus Me- tallpulver und -draht. Besonders interessant seien Anlagen, die Material aufschweißen, weil diese im Krisenfall auch Bauteile reparieren könnten. Das Ziel der Entwickler war es, Container zu realisieren, die, einmal konfektioniert und kalibriert, quasi auf Knopf- druck arbeiten. »Solche Container könnten zukünftig in Kraftwerken, auf Bohrinseln oder in schlecht er- schlossenen Gebieten Ersatzteile für Antriebe und Tur- binen herstellen«, sagt Heilemann. Damit würde man Produktionsausfälle vermeiden, die schnell in die Mil- lionen Euro gingen. Ihre Feuertaufe im Krisenfall ha- ben sie bereits bestanden. Als im vergangenen Jahr Beatmungsmasken knapp wurden, stellte das Fraun- hofer IAPT-Team kurzerhand auf die Produktion von Adapterstücken aus Kunststoff um. »Damit konnten wir einfache Tauchermasken für Hobby-Schnorchler an die Beatmungsgeräte anschließen«, erzählt Heile- mann. »MobiMed« haben sie ihren Container für die Produktion von Medizintechnikkomponenten getauft. Mehr Unabhängigkeit bei Rohstoffen Vorsorgen für den Krisenfall, damit die Produktion weitergehen kann. Das ist auch ein Ziel des Fraunho- fer-Innovationsprogramms »Resiliente Wertschöp- fungsketten – Resyst«. Notwendig ist hierfür nicht zu- letzt eine sichere Rohstoffversorgung. Da Deutschland über relativ wenige Rohstoffe verfügt, geht es dabei für die Zukunft vor allem um ein möglichst lückenlo- ses, hochwertiges Recycling. Wie das für metallische Werkstoffe aussehen könnte, zeigt der neue Ansatz »reProd«. Die Abkürzung steht für »ressourcen autarke Produktion auf Basis von Sekundärhalbzeugen«. Des- sen Ziel ist es, Altmetall-Teile nicht zu schreddern und mit hohem Energieaufwand einzuschmelzen, son- dern die gebrauchten Komponenten als Sekundär- halbzeuge wiederzuverwenden und direkt in neue Bauteile zu verwandeln – zum Beispiel aus Antriebs- wellen hochfeste Schrauben zu fertigen. Andere denk- bare Sekundärhalbzeuge wären Bleche, Platinen oder Rohre. »Wir wollen das Material auf dem höchstmög- lichen Wertschöpfungsniveau wiederverwerten«, sagt Markus Werner vom Fraunhofer IWU. Noch steht der reProd-Ansatz am Anfang. Zunächst müs- sen die Reststoffströme in Deutschland digitalisiert werden, um das ganze Potenzial auszuschöpfen. Wo ist welches Sekundärhalbzeug verfügbar? In welchen Mengen? In welchem Zustand? All das soll jetzt über digitale Zwillinge erfasst werden, um die Produktion in Zukunft unabhängiger zu machen. zurück zu Seite 1 47

3 | 21 »Bei Unternehmern, die sich auf Excel und Bauchgefühl verlassen hatten, haben wir schon sehr fruchtbare Diskussionen angeregt.« Dr. Heiner Ackermann, Fraunhofer ITWM Container­Stillstand vermeiden – das ist das Ziel der Fraunhofer­Experten. kunft, um seine Lieferkette proaktiv ein- stellen zu können. Aber nicht nur die Automobilbranche hatte gerade unter Lieferengpässen zu lei- den. Besonders betroffen war auch die Ver- sorgung mit medizinischen Gütern. Saskia Sardesai, Senior Scientist am Fraunhofer IML, leitet verschiedene Forschungspro- jekte, in denen OTD-NET zur Steigerung der Resilienz in Wertschöpfungsnetzen für Medizinprodukte eingesetzt wird. »Gera- de kleinere und mittelständische Unter- nehmen gingen dieses Problem mit vor- handenen Tabellenkalkulationstools an. Doch damit können sie keine Dynamik erkennen.« An diesem Punkt unterstützt OTD-NET. Die Simulation zeigt dynamisch über einen langen Zeitraum, ob sich alle Teile zur richtigen Zeit am richtigen Ort befinden. »Wenn alle Teile bis auf das mei- nes transatlantischen Zulieferers zur Ver- fügung stehen und innerhalb Europas gibt es keine Lieferalternative, habe ich schnell einen Bruch von über einem Monat in mei- ner Kette«, skizziert die Spezialistin. Luftfracht hilft schnell – und wirkt wie eine Droge An diesem Punkt setzen viele Unterneh- men auf Luftfracht – ein probates kurzfris- tiges Mittel, das sich auf längere Sicht als durchaus problematisch erweisen kann. Die Expertin vergleicht es mit einer Droge: Es wirkt schnell, macht schnell abhängig und man braucht lange, um den Entzug zu vollziehen. Saskia Sardesai: »Man hat den kurzfristigen Engpass beseitigt, aber die Reduktion in der Pipelinefüllung kommt mit einigen Wochen Verzögerung an und man ist ganz schnell versucht, wieder aufs Flugzeug zurückzugreifen. Es gilt den rich- tigen Moment abzupassen, um zur See- fracht zurückzukehren – und das bildet unsere Simulation sehr gut ab.« Im europäischen Forschungsprojekt Co-Versatile, das Sardesai betreut, setzen die Beteiligten alles daran, die Resilienz der europäischen Fertigungsindustrie für künf- tige Pandemien zu steigern. Schnell und effektiv soll die Lieferkette auf eine plötz- lich steigende Nachfrage im Bereich stra- tegischer Medizinprodukte reagieren kön- nen. Hierzu entwickelten die Expertinnen und Experten des Fraunhofer IML ein Si- mulationsmodell, das Nachfragespitzen und -schwankungen sowie Lieferantenrisiken mitdenkt. Die Unternehmen erhalten um- gehend einen Überblick, welche Effekte auf sie zukommen. »Wir haben sehr einfache Modelle hinterlegt, um ein schnelles Feed- back und die Anwendung für eine Vielzahl von Unternehmen zu ermöglichen«, erläu- tert die Projektleiterin. Ein besonderes Au- genmerk liegt auf den Kapazitäten, Vorlauf- zeiten, Transportfrequenzen und möglichen Liefereinschränkungen. Die Nutzer sehen das Zusammenspiel der einzelnen Faktoren – ein unschätzbarer Vorteil im Vergleich zur altgedienten Excel-Lösung. In einem weiteren Forschungsvorhaben mit dem Namen ResKriVer koppelt das Fraunhofer-Team sein Simulationstool mit Künstlicher Intelligenz (KI). Für mehr Re- silienz in Lieferketten bewerten sie Krisen- situationen und verschiedene Szenarien. Saskia Sardesai schildert das an einem ak- tuellen Beispiel: »Nehmen wir die Über- flutung in Hagen, von der viele Unterneh- men betroffen sind. Die Flut wird auf die Plattform gemeldet. Als Unternehmen kann ich prüfen: Sind in dieser Gegend Zuliefe- rer, die in meiner Lieferkette verankert sind, und fehlen mir somit in Zukunft Teile? Da- nach kommt die Simulation zum Einsatz, gekoppelt mit KI-Algorithmen: Wir unter- suchen, welche Parameter durch die KI ge- ändert werden können. Anhand der KI soll die Stärke der Parameteranpassung be- stimmt werden. Hieraus resultieren ver- schiedene Was-wenn-Szenarien, die auto- matisiert getestet werden. Im dritten Schritt werden die Alternativen bewertet, mit der KI rückgekoppelt und entschieden, welche umgesetzt werden soll. Wichtig ist auch hier, dass die Simulation immer den dy- namischen Kontext mitnimmt.« Abteilungsleiter Motta ist überzeugt: »Mittels solcher Instrumente kann durch Transparenz über die Wirkmechanismen Resilienz erzielt werden – und das bei gleich bleibender Effizienz.« zurück zu Seite 1 49 e n i l n o 1 F / y s k c o t S / s e b r o F d n o m y a R : o t o F

FRANKREICH Kostengünstiger in den Weltraum 2022 soll die neu entwickelte europäi- sche Ariane-6-Trägerrakete Navigati- ons- und Wettersatelliten ins All trans- portieren. Um auch zukünftig wettbe- werbsfähig zu bleiben, müssen Ferti- gungskosten sinken und Produktions- verfahren optimiert werden. Daran ar- beitet das Fraunhofer-Institut für Pro- duktionstechnologie IPT in Aachen mit der Ariane Group, einem Gemein- schaftsunternehmen von Airbus und dessen französischem Partner Safran. Ziel ist es, die Herstellungsverfahren Der Name ist Programm: Medstraum bedeutet auf Norwegisch »mit Strom«. Der Katamaran entsteht im Rahmen des EU­Projekts TrAM. Im Ariane 6 Tankcenter in Bremen wird die Stufe für den Transport vorbereitet. für die Oberstufe der Rakete durch den Einsatz von Sensoren und selbstlernen- den Systemen zu überwachen und zu verbessern. Das Fraunhofer IPT ist maßgeblich für die Datenanalyse und die Implementierung von KI-Algorith- men verantwortlich. NORWEGEN High-Speed-Fähren: Gut für Umwelt und Klima Im Frühjahr 2022 soll in Norwegen die vollelektrische Schnellfähre »Medstraum« den Betrieb aufnehmen. Der Kata maran, 31 Meter lang und neun Meter breit, soll bis zu 150 Passa- giere von der Stadt Stavanger zu den umliegenden Inseln befördern – als erste Fähre dieser Art weltweit emis- sionsfrei. Der Schiffsverkehr ohne Schadstoffe ist auch ein Verdienst des Fraunhofer-Instituts für Entwurfstech- nik Mechatronik IEM. Dort werden An- forderungen verschiedener Fährtypen in Beziehung zueinander gebracht und analysiert. Ein solches System- modell ist nicht nur flexibel einsetzbar, es reduziert auch die Entwicklungszeit um 70 Prozent und die Herstellungs- kosten um 25 Prozent. Mit dieser ganzheitlichen Methodik auf Basis des Systems Engineerings sind Schiffs- bauer in der Lage, elektrische Fähren modular zu entwickeln, effizient her- zustellen und an Kundenwünsche anzupassen. Damit wird der Grundstein für eine ganze Serie umweltfreundlicher Hoch- geschwindigkeitsfähren gelegt – ein Zukunftsmarkt: Der Absatz für voll- elektrische und hybride Schiffe wird weltweit wachsen, prophezeit das bri- tische Marktforschungsunternehmen IDTechEx – im Jahr 2027 auf bis zu 20 Milliarden Dollar. 3 | 21 AFRIKA Preis für Trinkwasser- Technik Südlich der Sahara haben 40 Prozent der Bevölkerung, mehr als 100 Millio- nen Menschen, keinen Zugang zu sau- berem Wasser. Das Projekt SafeWater- Africa, koordiniert vom Fraunhofer- Institut für Schicht- und Oberflächen- technik IST in Braunschweig, erzeugt mit zwei Demonstratoranlagen pro Tag 20 000 Liter Trinkwasser aus Flüssen in Südafrika und Mosambik. Die Aufbe- reitung basiert auf der Desinfektions- technologie des Fraunhofer IST, die Kei- me besonders energieeffizient besei- tigt. Der größte Teil der Projektpartner stammt aus Afrika: Konzeption, Aufbau und Betrieb der Anlagen erfolgt durch Unternehmen vor Ort. Das System ist so ausgereift, dass es in weiteren Län- dern eingesetzt werden kann. Für diesen Erfolg ist SafeWater- Africa nun mit dem »Solar Impulse Efficient Solution Label« ausgezeichnet worden. Die Schweizer Stiftung Solar Impulse honoriert effiziente, technische Lösungen, die den Klimawandel nach- haltig und wirtschaftlich bekämpfen. Eine neue Desinfektionstechnologie garantiert sauberes Trinkwasser in rauen Mengen. zurück zu Seite 1 51 m u i t r o s n o K - M A r T , H b m G a d e M i l l i H / h c o K . T k n a r F , a p d / y a M k n a r F , ) 2 ( k c o t S e b o d A : s o t o F

3 | 21 Schneider. Herkunft und Zustand dieses Treibguts zu bestimmen, gehört zu den vielen Aufgaben des MICRO-FATE-Pro- jekts, das von Dr. Annika Jahnke vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig geleitet wird. Besonders be- gehrt sind Fundstücke, die sich eindeutig bestimmten Produkten zuordnen lassen – denn die kann man mit den unversehr- ten Ausgangsmaterialien vergleichen und daraus Rückschlüsse auf den Zerfallspro- zess ziehen. Obwohl Kunststoff leichter ist als Was- ser, schwimmt nicht aller Plastikmüll an der Oberfläche. Denn mit der Zeit wird das Material spröde und zerbricht in immer kleinere Stücke. Sobald die Partikel weni- ger als fünf Millimeter groß sind, spricht man von Mikroplastik. »Wir vermuten, dass ein großer Teil des Materials absinkt und sich als Mikroplastik im Sediment ab- lagert«, sagt Annegret Potthoff. Deshalb hielt die Besatzung der SONNE auf ihrer Reise über den Pazifik auch unter Wasser nach Plastik Ausschau. Spezielle Flaschen zur Entnahme von Wasser- und Boden- proben wurden mit einer Seilwinde bis auf den Grund hinabgelassen. Tiefste Mess- stelle: 5700 Meter. »Beim Probenziehen musste jeder mal ran«, erzählt Markus Schneider, dessen eigentliche Aufgabe ei- ne andere war: in einem Experiment die Verwitterung von Plastik unter möglichst realitätsnahen Bedingungen nachzustel- len. Dazu wurden zwei Edelstahlbehälter »Deshalb betrach­ ten wir die Plastik­ verschmutzung als eine existenzielle Bedrohung, die den Planeten an seine ökologischen Grenzen bringt.« Dr. Annegret Potthoff mit je einem Fassungsvermögen von 800 Litern permanent mit frischem Pazifik- wasser durchströmt. Damit sollten quasi zwei Meere im Kleinen geschaffen werden, sogenannte Mesokosmen. Ein Behälter war abgedeckt und so vor der Sonne und ihrer aggressiven UV-Strahlung geschützt, der andere blieb offen. In beide Mesokosmen wurden vier ver- schiedene Kunststoffsorten – als Granulat aus 5 cm großen Kügelchen und als 10 x 10 cm große Stücke – versenkt und nach Stunden, Tagen oder Wochen wieder he- rausgeholt. Markus Schneider: »Uns inte- ressiert, wie sich diese Materialien mit und ohne UV-Einfluss verhalten. Wie genau verwittern sie? Verändert sich ihre Dich- te? Was passiert an ihrer Oberfläche, wird sie angegriffen, was setzt sich darauf ab?« Diese Fragen lassen sich nicht an Bord be- antworten. Daher wurde das Material aus den Mesokosmen, ebenso wie die Meer- wasserproben, konserviert und von Sin- gapur aus ins Fraunhofer IKTS nach Dresden gebracht. Dort nutzt das Fraun- hofer-Team eine breite Palette an Techni- ken, um den Verwitterungsprozess zu untersuchen. Als entscheidender Schritt erwies sich, dass die anfangs wasserab- stoßenden Oberflächen zusehends hydro- phil werden. »Das können wir durch Kon- taktwinkel-Messungen belegen«, erklärt Annegret Potthoff: »Je stärker ein Wasser- tropfen von der Oberfläche abgestoßen wird, umso steiler ist der Winkel zwischen beiden. Je mehr er sich anschmiegt, um- so flacher ist der Winkel. Und wir sehen, dass der Winkel mit zunehmender Ver- weildauer im Meerwasser immer flacher wird.« zurück zu Seite 1 53 n e s r e d n A r o t s A d n a d r a a g t s e r P i r a K : s o t o F

3 | 21 Glasklar wirkt das Wasser im Auffangbecken Kreuzpullach, erbaut in den Jahren 1933 bis 1936, um die Stadt München mit Trinkwasser zu versorgen. Alle auf einen Streich Arzneimittel passieren ungehindert Kläranlagen und breiten sich in der Umwelt aus – in Seen und Flüssen genauso wie im Grundwasser. Sie bereits frühzeitig abzufangen, ist eine große Herausforderung. Denn die Medikamente sind chemisch sehr unterschiedlich und müssen vollständig abgebaut werden. Von Christine Broll zurück zu Seite 1 55 l e g n E a n e L : o t o F

Mit der elektrochemischen Reinigung kann Hans-Jürgen Friedrich beide Nach- teile umgehen. Denn in der Elektrolyse- zelle werden alle organischen Stoffe erfasst und komplett zerstört. Übrig bleiben CO2, Sauerstoff und geringe Mengen Wasserstoff. Dass sich mit dieser Methode auch gro- ße Wassermengen reinigen lassen, hat das Fraunhofer IKTS-Team in Mecklenburg- Vorpommern bewiesen. Dort musste bei der Trinkwassergewinnung ein Tiefbrun- nen stillgelegt werden, da der Grenzwert für das Unkrautvernichtungsmittel Benta- zon überschritten war. In einem Pilotpro- jekt installierten die Wissenschaftler eine Anlage zur elektrochemischen Totaloxida- tion. Darin können die Elektrolysezellen modular angeordnet werden, sodass sich die Größe der Anlage problemlos an die an- fallende Wassermenge anpassen lässt. »Wir konnten das Bentazon komplett zerstören. Die Gesamtkosten lagen bei rund 50 Cent pro Kubikmeter«, berichtet Friedrich. Günstiger wird die Reinigung durch die Kombination von Elektrochemie und Ultraschall. Dass Ultraschall Moleküle zer- stören kann, ist schon lange bekannt. Es gibt auch schon Verfahren, bei denen ein München Kokain 191 Crystal Meth 9 Chemnitz Kokain 27 Crystal Meth 329 3 | 21 Ultraschall-Erzeuger in die Elektrolyse- kammer eingebracht ist. Hans-Jürgen Friedrich ist noch weiter gegangen. Er hat mit seinem Team die Ultraschallquelle di- rekt in die Elektrode der Elektrolysezelle integriert. Damit konnte er den Abbau der Spurenstoffe um den Faktor vier beschleu- nigen und damit den Durchsatz entspre- chend steigern – mit nur einem beschei- denen Mehraufwand an Energie. Friedrich schätzt die Kosten für den Be- trieb einer solchen großtechnischen An- lage auf rund 30 Cent pro Kubikmeter Ab- wasser. Damit steht die Technologie bereit, wenn der Gesetzgeber die längst überfälli- gen Grenzwerte für den Gehalt von Spuren- stoffen beschließt und Kläranlagenbetreiber nach einer geeigneten Lösung suchen. — Wie lassen sich Antibiotika, Betablocker oder hormonelle Wirkstoffe aus dem Abwasser entfernen? Hans­Jürgen Friedrich vom Fraunhofer IKTS im Interview: Hier geht‘s zum Podcast Spitzenreiter in Europa Kokain 1175 Antwerpen, Belgien Crystal Meth 703 Ostrava, Tschechien zurück zu Seite 1 57 n o i t c i d d A g u r D d n a s g u r D r o f e r t n e C g n i r o t i n o M n a e p o r u E : e l l e u Q ; e b e i r t e b r e s s a W r e n i l r e B / r e g ä J e t l , a M y a b a x i p , k c o t S i , ) 2 ( k c o t S e b o d A : s o t o F

3 | 21 Einen Impfstoff entwickeln? »Technisch eher einfach.« Ein Medikament entwickeln? »Das dauert sehr viel länger.« Die Corona-Erklärerin Sie war in Deutschland eine der Ersten, die das neue Virus unter dem Elektronen mikroskop sahen. Seit der Erreger mit dem Flieger in Frankfurt am Main landete, sucht Sandra Ciesek, Leiterin des virologischen Instituts der Universität Frankfurt, nach einem therapeutischen Wirkstoff gegen SARS-CoV-2. Von Beate Strobel H ier also sitzt die »Hochschullehrerin des Jahres 2021«, ausgezeichnet vom Deutschen Hochschulverband für ihren NDR-Podcast »Coronavirus- Update«, in dem sie abwechselnd mit dem Virologen Christian Drosten den Deutschen die Pandemie erklärt. Sie sitzt im dritten Stock des virologischen In- stituts des Universitätsklinikums Frankfurt. Und sie tut, was sie so oft getan hat in aufgeregten Zei- ten: Sie erklärt unaufgeregt. Professorin Sandra Ciesek berichtet, was es Neues gibt vom Virus na- mens SARS-CoV-2. Und die 43-Jährige berichtet auch, warum es manchmal nichts Neues gibt. »Einen Impfstoff zu entwickeln war technisch eher einfach, nachdem früh bekannt war, dass Coro- naviren sogenannte Spike-Proteine in ihrer Hül- le tragen und eine Impfung die Bildung von dazu passenden Antikörpern bewirken muss.« Ein Me- dikament »gegen Corona« zu entwickeln dauere dagegen sehr viel länger. »Ein Großteil der Subs- tanzen, die beim Einsatz in der Zellkultur viel- versprechend aussehen, versagt beim Tier oder Menschen. Die Ausfallrate ist immens. Wenn eine Substanz von tausend Marktreife erlangt, ist das schon sehr gut.« Es ist, wie so oft in der Forschung, die Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Die habilitierte Medizinerin Ciesek, Direkto- rin des Instituts für Medizinische Virologie am Universitätsklinikum Frankfurt, gilt als eine der hierzulande führenden Forscherinnen am Coro- navirus. Als Anfang Februar der erste Evakuie- rungsflieger mit 126 Rückkehrern aus dem chi- nesischen Wuhan, dem Epizentrum der Pandemie, in Frankfurt landete, stand Ciesek mit ihrem Team am Flughafen und testete sämtliche Ankömm- linge auf das neue SARS-Virus. Unter denen, die sich für krank hielten, war kein einziger Virus- träger. Doch ausgerechnet zwei Personen, die kei- nerlei Symptome zeigten, wurden positiv auf SARS- CoV-2 getestet. »Da wurde uns klar: Dieses Virus könnte ein größeres Problem werden«, erinnert sich Ciesek. Aus den Abstrichen der Wuhan-Rückkehrer konnte Cieseks Team das Virus erstmals in einer Darmzelllinie anzüchten und den neuen Feind unter dem Elektronenmikroskop betrachten. Kurz darauf entdeckten sie, inwiefern SARS-CoV-2 die Wirtszelle verändert: Während viele andere Viren die Proteinherstellung der Wirtszelle herunter- fahren zugunsten der eigenen viralen Protein- produktion, erhöht der neue Corona-Erreger die ursprüngliche Proteinsynthese. Öffnete sich hier ein Einfallstor für eine mögliche medikamentöse Therapie? Tatsächlich gelang es den Frankfurter Forschern um Ciesek, die Vermehrung des Virus innerhalb der Zellkultur zu stoppen durch Hem- mung der Proteinproduktion innerhalb der Zellen. »Covid-19: Therapie-Durchbruch« titelten Medien optimistisch im Mai 2020. Den Impfstoff haben wir. Wann kommt das Heilmittel? Mehr als ein Jahr später sind diverse Impfstoffe gegen das Coronavirus im Einsatz, doch auf einen überzeugenden Wirkstoff zur Behandlung des vielfältigen Krankheitsbildes namens Covid-19 wartet die Welt noch immer. Angesichts des vielstufigen Zulassungsver- fahrens für neue Medikamente wäre es schon ei- ne echte Abkürzung, wenn sich ein bereits zuge- lassener Wirkstoff als erfolgreich gegen SARS-CoV-2 erweisen würde. Der Suche nach so einer zurück zu Seite 1 59 f i a l / r e n g e W m T : i o t o F

Vorstandsmitglied der Gesellschaft für Virologie – die Meinung der Fachgesellschaft vertritt: kei- ne Einzelmeinung, die eine falsche Gewichtung provoziert. Kein Gelaber.« Forschung quasi in Echtzeit zu verfolgen ist allerdings nichts für Ungeduldige und alle ande- ren Menschen, die von Experten in weißen Kitteln eindeutige Antworten erwarten. »Leute mit wis- senschaftlichem Background verstehen diese Un- sicherheiten und Widersprüche, mit denen die Forschung lebt, andere Menschen allerdings nicht immer«, hat Ciesek in zwei Jahren Pandemie ge- lernt. Ob sie nicht manchmal verzweifelt an Quer- denkern und Impfgegnern? »Ich verzweifle nicht«, sagt sie sanft. »Ich bin höchstens irritiert, mit wel- cher Aggressivität manche vorgehen.« Man müs- se wohl akzeptieren, dass ein Teil der Menschen anders denkt. »Wir können nur ehrlich aufklären, auch über wissenschaftliche Unsicherheiten. Mehr können wir nicht machen.« Sie nimmt den Mundschutz, aber als Podcasterin kein Blatt vor den Mund. Dafür wurde sie als »Hochschullehrerin des Jahres 2021« ausgezeichnet. 3 | 21 »Als Vorstands­ mitglied der Gesellschaft für Virologie vertrete ich die Meinung der Fachgesellschaft – keine falsche Gewichtung. Kein Gelaber.« Prof. Sandra Ciesek Schnelltests in Laienhände verhindert worden wäre. Oder mit der Vorgabe, dass Ausschreibungen für größere Anschaffungen in der Forschung stets europaweit erfolgen müssen. »In einer Pandemie funktionieren bestimmte bürokratische Struktu- ren nicht gut, da müsste vieles anders laufen«, fin- det die Frankfurter Professorin. Fast zwei Jahre Forschung an SARS-CoV-2 ha- ben für Sandra Ciesek und ihre Institutsmitarbei- tenden vor allem sehr, sehr viele Überstunden be- deutet, »ich habe noch nie so viel gearbeitet wie seit Ausbruch der Pandemie«, sagt die Mutter ei- ner Tochter. Was sicher auch an ihrem Ehrenamt als Deutschlands Corona-Erklärerin liegt. Mit Co- rona sind Virologen landesweit gefragte Interview- partner und dadurch zu den neuen Superstars geworden. Ciesek versucht, das Rampenlicht zu dimmen. »Ich war nie wirklich scharf darauf, in der Öffentlichkeit zu stehen«, versichert sie. Inter- view-Termine vergibt sie in homöopathischer Do- sis, und anders als viele Vertreter ihrer Branche ist die Medizinerin nie in Talkshows zu sehen. »Das Format passt nicht zu mir«, findet sie: zu we- nig Zeit für Erklärungen, zu viel Verknappung. Und zu viele Selbstdarsteller. Sandra Ciesek ist nicht der Typ Mensch, der markante Sprüche macht und sich durch steile Thesen auf die Titelseiten bringt. Ihre Tätigkeit als Institutsleiterin hält sie für »wenig spektaku- lär«, schließlich sitze sie die meiste Zeit im Büro am Schreibtisch und steuere. Ihre Worte und Emo- tionen hat sie stets ebenso unter Kontrolle wie die im Nacken zum Zopf gebundenen langen blonden Haare. Als sie 2020 eine Studie veröffentlichte zur Infektionsgefahr in Kitas, wollte sie diese beispiels- weise keinesfalls verstanden wissen als Auffor- derung an die Politik, die Kitas geöffnet zu lassen: »Ich bin Wissenschaftlerin; politische Konsequen- zen ziehen Politiker.« »Ich bin irritiert, mit welcher Aggressivität manche vorgehen.« Im NDR-Podcast »Corona-Update« mit dem Ber- liner Virologen Christian Drosten als Experten dagegen sieht Ciesek die Chance, die Menschen relativ ausführlich zu informieren über das, was Wissenschaftler weltweit seit Beginn der Pande- mie täglich machen: Wissen schaffen. »Entschei- dend für meine Zusage war, dass ich mich äußern kann als jemand, der zum einen direkt am Virus arbeitet, zum anderen aber auch – wie ich als zurück zu Seite 1 61 f i i a l / r e n n B n i r t a K : s o t o F

3 | 21 ßend geschmolzen wird. Aus der Schmel- ze werden große Einkristalle, sogenannte Ingots, gezogen. Diese lassen sich mit fei- nen Drahtsägen in die einzelnen Wafer zerteilen. Die Nachteile des Verfahrens: Die Fertigungsschritte verbrauchen eine Men- ge Energie. Während der Silizium-Schmel- ze werden die Ingots mit Sauerstoff ver- unreinigt, was sich später negativ auf die Effizienz der Photovoltaik-Zellen auswirkt. Beim Zersägen geht viel Silizium in Form von Staub verloren. Sind die Wafer zu dünn, gehen sie kaputt. Emissionsarm direkt zum Erfolg NexWafe arbeitet dagegen mit einer Tech- nologie, die ohne weitere Zwischenschritte die direkte Verarbeitung von Chlorsilan zu Wafern ermöglicht. Was ein bisschen wie Zauberei klingt, nennt sich Epitaxie. Man beginnt mit einem Ausgangswafer. Dieser wird mithilfe von Säure und Strom geätzt. Dadurch entsteht eine hochporöse dünne Schicht. Beim anschließenden Hochheizen schließt sich die Oberfläche wieder. »Diese Struktur kann man sich wie eine gotische Kathedrale vorstellen«, erklärt Siebke. »Sie hat ein stabiles Dach, wird dabei nur von wenigen Säulen gehalten und ist ansonsten offen.« In einem Hochtemperaturprozess wächst auf diesem Dach Schicht für Schicht Silizium und ein neuer Wafer entsteht, der eine perfekte Kopie des Ausgangswafers darstellt. Die beiden Wafer werden an- schließend an den Säulen getrennt und der Ausgangswafer kann erneut verwendet werden. Am Fraunhofer ISE forscht man seit vielen Jahren an Silizium-Epitaxie und hat hier erfolgreich einen kontinuier- lichen Prozess entwickeln können, auf den NexWafe zurückgreift. Alle produzierten Wafer sind identisch, können dünner sein als bei der herkömmlichen Produktion und enthalten weniger Verunreinigungen. Das Verfahren bringt eine große Kosten- und Zeitersparnis. Im Vergleich zur herkömm- lichen Produktion werden rund 70 Prozent weniger CO2 ausgestoßen. Derzeit wird die Produktionstechno- logie an einer Prototypenanlage in Frei- burg, wo sich der Firmensitz von Nex Wafe befindet, weiter getestet und optimiert. Hierbei arbeitet das Team von NexWafe weiterhin eng mit dem Fraunhofer ISE zu- sammen. 2024 soll dann in Bitterfeld die Massenproduktion beginnen. Um den Sprung vom Labor in die Wirtschaft er- folgreich zu meistern, hat sich das Unter- nehmen im letzten Jahr mit Dr. Davor Su- tija zusätzliche wertvolle Expertise mit an Bord geholt. Sutija hat jahrelange Erfah- rung in der Führung von Technologie- unternehmen. Im Dezember konnte Nex- Wafe unter seiner Leitung bereits zehn Millionen Euro an neuen Investorengeldern erwerben. Eine Million davon kam von der Fraunhofer-Gesellschaft. Das Interesse von potenziellen Kunden und Investoren aus aller Welt ist groß. In- zwischen setzt auch die »Silicon Module Super League«, die Gruppe der größten Produzenten in der Solarbranche, klar auf hocheffiziente monokristalline Wafer des n-Typs, wie sie NexWafe herstellen will. »Das gibt uns die Bestätigung, an der rich- tigen Technologie zu arbeiten, und bietet uns die Gelegenheit, den Photovoltaik- markt der Zukunft entscheidend mitzu- bestimmen. Jetzt gilt es, am Ball zu bleiben, Zukunftstrends zu erkennen und umzu- setzen«, sagt Sutija. So gehe beispielswei- se der Trend in der Industrie aktuell zu größeren Wafern. NexWafe werde daher innerhalb des nächsten Jahres einen Teil seiner Geräte entsprechend umrüsten. Auch zwei US-amerikanische Unter- nehmen arbeiten an neuen Wegen in der Wafer-Produktion, die sich deutlich von dem herkömmlichen Einschmelz-Säge- prozess unterscheiden. Doch sind diese Technologien lange nicht so ausgereift wie die von NexWafe: »Die vielen Jahre inten- siver Forschung am Fraunhofer ISE bilden ein unglaublich starkes wissenschaftliches Fundament für unser Unternehmen, das der Konkurrenz fehlt. Ohne die Unterstüt- zung von Fraunhofer wären wir nicht da, wo wir heute stehen.« Sutija betont: »Ich bin sehr dankbar für die Zusammenarbeit. Vor allem, weil es nicht nur um den Erfolg unseres Unternehmens geht, sondern um etwas viel Größeres – das Gelingen der glo- balen Energiewende.« zurück zu Seite 1 63 »Die vielen Jahre intensiver Forschung am Fraunhofer ISE bilden ein un glaub lich starkes wissenschaftliches Fundament für unser Unter nehmen, das der Konkurrenz fehlt.« Dr. Davor Sutija, Geschäftsführer NexWafe GmbH H b m G e f a W x e N : o t o F

Wer mehr Wert auf Sicherheit legt: Bei Notebooks, Smartphones oder Tablets sollte Blue­ tooth deakti­ viert bleiben, wenn es nicht benötigt wird. Christian Brandt und Matthias Cäsar, IT- und Krypto-Experten in der Abteilung Cyber- physical Systems Security, starteten zunächst eine Man-in-the-Middle-Attacke. Dabei schal- tet sich der Angreifer zwischen das Smartphone des Nutzers und das Schloss. Alle Daten, die zwischen Schloss und Smartphone ausge- tauscht werden, laufen unbemerkt über den Rechner des Angreifers. Wenn der Nutzer sich entfernt hat, bleibt die Verbindung erhalten – und der Angreifer kann das Schloss öffnen. Noch fataler war die zweite Schwachstelle. Bei einer sogenannten Replay-Attacke wird der Datenaustausch zwischen Smartphone und Schloss mitgeschnitten. Der Angreifer kann das Schloss mit den aufgezeichneten Daten beliebig oft öffnen. Möglich wurde dies durch einen schlecht implementierten Zufallszah- lengenerator im verwendeten Sicherheitspro- tokoll. Für das Hacker-Equipment genügten zwei Kartoffelchips-Dosen, die mit einem Draht zur Richtantenne umfunktioniert wurden. Hinzu kamen zwei Minicomputer vom Typ Raspber- ry Pi, einer für die Verbindung zum Schloss, der andere für die Verbindung zum Smart- phone des Opfers. »Ganz so einfach, wie das klingt, ist es natürlich nicht«, sagt Brandt. »Das Aufdecken der Schwachstellen war aufwendig und hat unsere Expertise gefordert.« So muss- ten die Forschenden beispielsweise das soge- nannte Reverse Engineering anwenden, was Know-how in IT-Sicherheit, Informatik und Elektrotechnik voraussetzt. Die Schwachstelle ist dabei kein Problem des Bluetooth-Standards. Vielmehr hatte es der Hersteller versäumt, die Bluetooth-Funk- tionalität korrekt umzusetzen. »Von dieser Firma wurde fürs Vorhängeschloss ein eigenes, proprietäres Protokoll auf der Anwendungs- schicht von Bluetooth LE entwickelt, das ein- fach nicht sicher ist«, erklärt Brandt. Responsible Disclosure: Hersteller bekommen Zeit zur Nachbesserung Das Fraunhofer SIT hatte dem Hersteller die Lücke gemeldet und mehrere Wochen Zeit gegeben, die Schwachstelle zu beheben. »Das ist die bewährte Vorgehensweise im Rahmen T I S r e f o h n u a r F : s o t o F Christian Brandt, IT- und Krypto-Experte am Fraunhofer SIT 3 | 21 eines Responsible-Disclosure-Prozesses«, er- klärt Andreas Fuchs, Leiter der Abteilung Cy- berphysical Systems Security. Erst nachdem das Unternehmen in einem der zwei Modelle, bei denen das Problem aufgetaucht war, die Si- cherheitslücke durch ein Update geschlossen hatte, ging das SIT-Team mit einem Warnhin- weis an die Öffentlichkeit. Vorsicht ist immer wieder geboten, denn Bluetooth-Vorhängeschlösser sind keineswegs das einzige Beispiel für IT-Geräte, die sich leicht knacken lassen. Gerade bei drahtlosen Gerä- ten wie Mäusen, Tastaturen oder Presentern deckt das Experten-Team vom Fraunhofer SIT häufig Sicherheitslücken auf, von denen ihre Besitzer nichts ahnen. Die Forschenden werden nicht nur aktiv, wenn Hersteller sie beauftragen, die Sicher- heit eines Produkts vor dem Marktstart zu evaluieren. Häufig kaufen sie Geräte, zerlegen sie, lesen Speicher aus, detektieren Signalwe- ge und entschlüsseln Programmcodes, die in der Firmware implementiert sind. »Einigen Herstellern fehlt es an Bewusstsein für IT-Si- cherheit, und manche arbeiten auch erschre- ckend schlampig«, bemerkt Christian Brandt. Riskante Bequemlichkeit Ein weiteres Problem liegt in einer allzu menschlichen Eigenschaft. »Viele Menschen, übrigens auch die Mitarbeitenden in Unter- nehmen, sind zu bequem, um Verschlüsse- lungsverfahren einzusetzen oder als lästig empfundene Sicherheitsmaßnahmen zu beachten«, sagt Brandt. Riskant kann diese Bequemlichkeit besonders dann sein, wenn man in Bus oder Bahn das Diensthandy mit aktiviertem Bluetooth zückt und E-Mails liest, die unverschlüsselt gespeichert sind. Wer mehr Wert auf Sicherheit legt: Bei Notebooks, Smartphones oder Tablets sollte Bluetooth deaktiviert bleiben, wenn es nicht benötigt wird. Damit wäre schon mal eine Ge- fahrenquelle ausgeschaltet. Und Kopfhörer zum Musikhören lassen sich auch über Kabel verbinden. Auch Tastaturen und Mäuse am Office-PC sind besser und sicherer übers Kabel angeschlossen, als drahtlos – auch wenn das nicht ganz so bequem ist. zurück zu Seite 1 65

in vielen Muscheln und Fischen Spuren toxischer Explosivstoffe nachweisen. Der Mensch hat das Problem verschärft. Weil es keine geeigneten Bergungsverfahren für die Munition auf dem Meeresgrund gab, wurde in der Vergangenheit häufig einfach gesprengt, um vielbefahrene Seewege zu schützen oder den Bau von Windkraftan- lagen nicht zu gefährden. Doch: Muscheln in der Nähe detonierter Sprengstoffkörper weisen die 50-fache Konzentration dieser gefährlichen Stoffe auf. Damit sind nicht nur das Ökosystem Meer, die Fisch- und Muschelbestände gefährdet, sondern über die Nahrungskette auch der Mensch. Das Problem der Altlasten unter Was- ser ist schon lange bekannt. Inzwischen beschäftigt sich auch der Deutsche Bun- destag mit dem Thema, das sowohl öko- logische als auch ökonomische Bedeutung hat. Vor dem Umweltausschuss forderten Experten einen Fonds von mindestens 100 Millionen Euro. Auch aus der EU kam an- gesichts der Dringlichkeit der Aufgabe bereits das Signal, sich finanziell am Auf- finden und Entsorgen der Weltkriegsmu- nition zu beteiligen. Vom Unterwassergarten zum digitalen Riff Die Herausforderung: Die fragilen wie gefährlichen Altlasten müssen zielsicher aufgespürt, klassifiziert und möglichst umweltschonend und sicher geborgen und zerlegt werden. Ideen für Technologien und Verfahren gibt es bereits viele, allein fehlt oft die Möglichkeit, sie unter realen Bedingungen – schlechte Sicht, starke Strömung, lockeres Sediment – ausgiebig zu testen. »Am künstlichen Riff des Unter- wassertestfelds werden Unternehmen und Forschungsorganisationen neue Technik erproben können – und zwar ganz ohne Risiko an in unterschiedlichen Tiefen ver- grabenen Munitionsattrappen. In unse- rem Munitionsgarten werden Bilderken- nungs- und Messsysteme genauso getestet werden können wie Crawler, Unterwasser- roboter oder Transportverfahren«, erklärt Peter Menzel, der das Digital Ocean Lab leitet. Das sind jedoch nicht die einzigen Testszenarien: In weiteren Bereichen wer- den neue Materialien, Korrosions- oder Bewuchsschutzsysteme erprobt. Zudem D G I r e f o h n u a r F , a p d / r e d h e R n e t s r a C : s o t o F 3 | 21 Schutz von Tauchern Bis unbemannte Alternativen technologisch ausgereift sind, müssen professionelle Taucher die gefähr liche Aufgabe über- nehmen, Sprengkörper zu ber- gen. Um sie zu schützen, hat das Fraunhofer IGD gemeinsam mit Forschungspartnern ein Sicherheitskonzept erarbeitet: Unterschiedliche Sensoren sollen die Taucher vor giftigen Stoffen warnen und ihnen hel- fen, in Echtzeit mit der Ober- fläche zu kommunizieren – essentiell zur Bewertung von Gefahren und bei schlechten Sichtverhältnissen. Augmented- Reality-Taucherbrillen werden entwickelt, um sicherheits- relevante Informationen wie aktuelle Messwerte anzuzeigen. Forschungstaucher Florian Huber stößt bei seinen wissen- schaftlichen Expeditionen im- mer wieder auf das bedrohliche Erbe der Weltkriege. Wir haben mit ihm gesprochen. — Hier geht‘s zum Podcast: können Unterwasserkabel verlegt und gewartet oder autonome Unterwasser- fahrzeuge getestet werden. »Die bisheri- gen Nachfragen sind vielfältig: Die einen wollen Bojen mit Sensorik testen, die an- deren Kabel verlegen, die nächsten künst- liche Korallenriffe aus dem 3D-Drucker ansiedeln. Aber die größte Rolle spielt in absehbarer Zeit die Bergung von Muni- tionsaltlasten (UXO)«, ist der Meeresfor- scher sicher. Das Digital Ocean Lab stellt Unternehmen nicht nur die Infrastruktur zur Verfügung: »Bei jedem Versuch küm- mern wir uns zudem um die notwendigen Genehmigungen bei Behörden und liefern präzise Informationen zu den Gegeben- heiten vor Ort«, so Menzel. Diese präzisen Daten sind auch die Grundlage für das eigentliche Geschäfts- modell des Digital Ocean Lab: »Ziel ist es, in drei Jahren ein komplett digitales Mo- dell mit Echtzeitdaten vom Riff zu haben – von Strömungen über Satzgehalt bis hin zur Sedimentstruktur und temporärem Schiffsverkehr. So ließen sich ortsunab- hängig und ohne aufwendige Genehmi- gungen und Vorbereitungen Versuche voll- ständig virtuell simulieren. Und das Ganze wäre zudem skalierbar und für meh- rere Unternehmen gleichzeitig nutzbar«, so Menzel. Das könnte auch der weltweiten Forschung an Lösungen für die Munitions- frage weiter Auftrieb geben, denn das Pro- blem ist keineswegs nur ein deutsches. Gefährliche Altlasten finden sich laut Naturschutzverbänden in nahezu allen Weltmeeren. Neue Technik gefahrlos und unter realen Bedingungen erproben – das Unterwassertestfeld macht es möglich. zurück zu Seite 1 67

3 | 21 s e g a m i p d d : o t o F zurück zu Seite 1 69

Fraunhofer vor Ort Bremen Berlin Düsseldorf Frankfurt Nürnberg Stand: Anfang Oktober. Aufgrund der Pandemie kann es zu Änderungen kommen. Bitte beachten Sie die Informationen der Veranstalter. 3 | 21 Frankfurt a. M. 16. – 19.11.2021 Formnext Fachmesse für additive Fertigungs technologien sowie deren vor- und nachgelagerte Prozesse Nürnberg 23. – 25.11.2021 SPS drives Fachmesse für elektrische Automatisierung, Systeme & Komponenten Berlin 23. – 25.11.2021 Futuras in Res Internationale Konferenz- reihe der Fraunhofer- Gesellschaft für Wissen- schaft und Technologie. Dieses Mal zum Thema »Quantentechnologien« virtuell 26. – 27.10.2021 Smart Country Convention Kongressmesse für E-Government und Smart City Düsseldorf 15. – 18.11.2021 Medica Internationale Fachmesse für Medizin technik Düsseldorf 15. – 18.11.2021 Compamed Internationale Fachmesse für den Zuliefermarkt der medizinischen Fertigung Bremen 16. – 18.11.2021 Space Tech Expo Fachmesse und Konferenz für Technologien rund um die Raumfahrt Fraunhofer-Magazin Das Magazin für Menschen, die Zukunft gestalten Wollen Sie das Fraunhofer-Magazin sofort bei Erscheinen in Ihrem Briefkasten? Bestellen Sie direkt online unter http://s.fhg.de/bestellen 1 2 | 2 Das Methusalem-Gen Der Traum vom langen Leben wird wahr Gründer- Zeit Neue Impulse für die Wirtschaft Alles Fake? Segen und Fluch der digitalen Welt »Modernisierung gelingt nur mit Forschung« Kanzlerkandidat Armin Laschet im Interview zurück zu Seite 1 71 Staffellauf des Wissens Fraunhofer-Forschende geben Antworten3 | 21Die Corona- Erklärerin Im Porträt: Sandra Ciesek Feind im TrinkwasserWie Arzneirückstände abgebaut werdenWas uns wirklich fehltRohstoffe, Lieferwege, Digitale Souveränität Was tut ein Kanzler Scholz für die Forschung? Der Kandidat im Interview»Ich glaube an Wasserstoff« Nico Rosberg im Gespräch Starkregen, Sturm, Hitze: Wie wir unsere Städte resilienter machenKlima-Stress»Campus der Sinne«Whisky & Wissenschaft:Genuss-Begegnungen1 | 21