Rückenwind für Wasserstoff Energiewende vom Meer 2 2 | 1 Das ist kein Ei Unsere Ernährung ist im Umbruch. Wie schmeckt die Zukunft? Verónica García-Arteaga, Fraunhofer-Forscherin und Gründerin Wie sicher sind unsere Autobahnen? Brücken am Anschlag: Sensor- system soll Mängel aufspüren »Veränderungen, die 83 Millionen betreffen.« Landwirtschaftsminister Cem Özdemir im Interview

Freiheit braucht Technologien Der Morgen jenes Donnerstags, 24. Februar 2022, mag manchem die Augen in mehr als einer Hinsicht geöff- net haben. Es ist der Beginn des Angriffskriegs Russ- lands gegen die Ukraine. Plötzlich ist es spürbar, dass Frieden, Freiheit und Souveränität selbst in Europa keine Selbstverständlichkeiten sind. Freiheit hat ihren Preis. Nach Angaben des Bundes- wirtschaftsministeriums liegt der Anteil russischer Im- porte an den fossilen Gasimporten nach Deutschland bei rund 55 Prozent, bei Kohle bei rund 50 Prozent und bei Rohöleinfuhren bei rund 35 Prozent. Doch darf sich Freiheit nicht wirtschaftlichen Abhängigkeiten unter- ordnen. Sie ist unverzichtbarer Bestandteil unserer de- mokratischen Kultur und unseres anhaltenden Erfolgs. Der Preis der Freiheit wird bezahlbar sein. Zwar hat Deutschland im Jahr 2021 Waren und Dienstleistungen im Wert von 26 Milliarden Euro nach Russland expor- tiert. Allerdings summiert sich das nur auf 1,9 Prozent der Gesamtausfuhren. Umgekehrt ist für Russland die Bundesrepublik nach China der wichtigste Handels- partner. Auf den Einmarsch russischer Truppen in die Ukraine hat die Fraunhofer-Gesellschaft im Schulterschluss mit dem Vorgehen weiterer Mitglieder der Allianz der Wis- senschaftsorganisationen reagiert und entschieden, alle laufenden Projekte und Interaktionen mit Russland zunächst einzufrieren, später wurde dieser Beschluss auf Belarus ausgeweitet. Diese Zäsur ist zwingend. Sie ist ausdrücklich nicht gegen die russische Bevölkerung und nicht gegen die russische Wissenschaft gerichtet, auf deren Entwicklung wir mit Sorge blicken. Ein Mehr an Souveränität ist seit vielen Jahren ein Anliegen der Fraunhofer-Gesellschaft: nicht nur mehr energetische Souveränität, sondern auch mehr techno- logische Souveränität und mehr digitale Souveränität – ein „immens wichtiges Thema“, wie Forschungsmi- nisterin Bettina Stark-Watzinger bei der Allianz der Wissenschaftsorganisationen bestätigt hat. Deshalb können wir die Entschlossenheit nur begrüßen, wie sie die Europäische Kommission gerade mit dem European 1 | 22 Editorial Prof. Reimund Neugebauer Chips Act zeigt. Für die Produktion von Halbleitern in der EU sollen rund 43 Milliarden Euro zur Verfügung gestellt werden, damit im Jahr 2030 ein Fünftel der weltweit hergestellten Chips in Europa produziert werden kann. Dass der European Chips Act seine Vitalität so schnell in dieser Deutlichkeit zeigt und mit dem Intel-Halbleiter-Werk, wie Ministerpräsident Rei- ner Haseloff formuliert hat, »die größte Investition in der Geschichte« nach Magdeburg kommt, ist eine gute Nachricht – nicht nur für Sachsen-Anhalt, sondern für Deutschland und ganz Europa. Freiheit braucht Zusammenarbeit. Freiheit braucht Verflechtung. Aber Freiheit braucht auch Resilienz und Unabhängigkeit in den zentralen Bereichen der Ver- sorgung und Entwicklung. Es geht also auch um Frei- heitstechnologien. Die Fraunhofer-Gesellschaft ist entschlossen, ihren Beitrag zu leisten. Ihr Reimund Neugebauer Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft — Mehr zu den großen Forschungsthemen der Fraunhofer-Gesellschaft: Prof. Reimund Neugebauer auf LinkedIn 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

28 Glück ist, wenn der Bass gleichzeitig einsetzt In der Pandemie wird ein virtuelles Konzert auf die Spitze getrieben 30 Spinnengift für die Medizin Bislang sind die Toxine der Acht- beiner weitgehend unerforscht 32 Viren, die heilen Kampf gegen Krebs: Wie ausgerech- net Herpesviren zum Hoffnungs- träger der Tumor-Therapie werden 34 80 000 Umdrehungen für die Energiewende Gesteigerte Erfolgsquote: Eine neu entwickelte Mikro-Turbine hilft, zu- verlässiger Thermalwasser zu finden 35 Staffellauf des Wissens IV Welche Ressourcenstrategie be- nötigt die globale Energiewende? 48 Zucker fürs Auge Tropfen sind schnell ausgewaschen. Neuartige Kontaktlinsen geben Medikamente langsam ab – und präzise 76 Holzhybrid statt Stahlbeton Der nachwachsende Rohstoff holt auf – auch in Sachen Stabilität. Und er bietet ganz neue Möglichkeiten. 60 Ausgezeichnete Forschung Hugo-Geiger-Preise für außerge- wöhnliche Promotionsleistungen junger Forscherinnen und Forscher. 50 Kohlehafen als Keimzelle für Klimaneutralität Wie Duisburg den weltgrößten Binnenhafen zum ersten klima- neutralen Containerterminal Europas machen will 52 Brücken am Anschlag Deutschlands Autobahnbrücken sind in einem schlechten Zustand. Das Fraunhofer IZFP entwickelt Sensorik für per manentes Monitoring 56 Von der Braunkohle zur Blockchain Das dezentrale Datensystem schafft einen neuen Innovationsstandort 58 Im Eiltempo Leben retten Elf Millionen erkranken jährlich an einer Sepsis. Das Fraun hofer IGB hilft im Wettlauf mit der Zeit 60 Hugo-Geiger-Preise Exzellente Forschung junger Wissen- schaftlerinnen und Wissenschaftler 66 Röntgen mit höchster Brillanz BM18 Beamline – Detailschärfe und außergewöhnliche Vielseitigkeit 68 Fraunhofer international 1 | 22 66 Röntgen mit höchster Brillanz BM18 Beamline – weltweit einmalig in Detailschärfe und Vielseitigkeit. 70 Algen prêt à porter: Mode aus dem Bioreaktor Die Textilindustrie sucht nach Alter- nativen – und findet sie in Mikroalgen 72 Mit Künstlicher Intelligenz gegen Hautkrebs Wie ein KI-basierter Ganzkörper- scanner die Behandlung erleichtert 74 Foto & Fraunhofer Deutsche lieben ihren Kaffee – künftig aus nachhaltigen Bechern 76 Holzhybrid statt Stahlbeton Ganz neue Möglichkeiten – auch bei der Stabilität 78 Zukunft Quanteninternet Immer mehr Daten immer sicherer transportieren? Ein Quanten- frequenzkonverter weist zur Zukunft 79 Fraunhofer vor Ort ; a p d / e c n a i l l a e r u t c i p / d e f t e N y a K i l 91 Prozent aller landwirtschaftli- chen Betriebe in Deutschland mit mehr als 100 Hektar nutzten im Jahr 2020 Smart-Farming-Technologien wie GPS-gesteuerte Landmaschinen, ermittelte der Digitalverband Bitkom. Bei den Betrieben mit mindestens 50 Hektar waren es immerhin noch 71 Prozent, bei den kleineren 64. 91 , ) 2 ( k c u m h c S r a n g a R : e t i e s k c ü R d n u r e v o C s o t o F g r o . i c i d e u v / F R S E , r e p p e u D h p o t s i r h C / r e f o h n u a r F , i i a p e S / b e h c S n m r A i , a p d / e c n a i l l a e r u t c i p / d e f t e N y a K i l , t r e k r u B n a i t s i r h C , k c u m h c S r a n g a R : t l a h n I s o t o F 5

1 | 22 Immun-Check für die Lunge Macht die manuelle Zählung der verschiedenen Zelltypen unter dem Mikroskop überflüssig: die Chipzytometrie. Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Toxi- kologie und Experimentelle Medizin ITEM ist es gelungen, für klinische Studien Immunzellen der Lunge nicht nur präzise zu charakterisieren, son- dern auch länger verfügbar zu machen. Mithilfe des innovativen Verfahrens der Chipzytometrie lassen sich die wertvollen Patientenproben über Monate im Kühlschrank lagern und auf weitere Parameter untersuchen – falls im Verlauf der Stu- die neue Aspekte relevant werden. Bei der Chipzytometrie werden die Patienten- proben in einem speziellen Objektträger unter- sucht. Dieser Chip besteht aus einer durchsichtigen Kammer, auf deren Boden sich die Zellen anheften. Dann erfolgt die Färbung mit fluoreszierenden Antikörpern, die ganz spezifisch an einen bestimm- ten Typ von Immunzellen binden. Die Auswertung der mikroskopischen Bilder erfolgt weitgehend automatisch. Als Ergebnis erhält man die Anteile der gesuchten Immunzellen in der Probe. Entwickelt und an Blutzellen validiert hat die Chipzytometrie das Start-up »Zellkraftwerk«, das mittlerweile im US-Unternehmen Canopy Bio- science aufgegangen ist. Die Fraunhofer-Forschen- den haben das Verfahren nun erstmals für Im- munzellen aus der Lunge adaptiert. Kinder mit KI schützen Künstliche Intelligenz und Multimediaforensik r u t n e g a d l i B e n i l n o 1 F / y r a r b i L o t o h P e c n e i c S , o t o h p k c o t s i / a h p A l , E E I / P B l I r e f o h n u a r F / r e h c i b s e n n S t r e b r e H , t e n . r e p a p i l l a w - t s e b 2 2 0 2 - 1 1 0 2 : s o t o F Die europäische Polizeibehörde Europol warnt vor einer deutlichen Zunahme von Cybergrooming seit Beginn der Pandemie. können Kinder vor sexuellem Missbrauch im Internet schützen. Zu diesem Ergebnis kommt eine Machbarkeitsstudie des Fraunhofer-Insti- tuts für Sichere Informationstechnologie SIT. Be- sonderer Schwerpunkt lag auf der praktischen Umsetzbarkeit. So lasse sich beispielsweise über textforensische Profiling-Technologien das Al- ter von Chat-Teilnehmenden einschätzen – und so Cybergrooming verhindern. Darunter ver- steht man die Kontaktaufnahme von Erwach- senen zu Minderjährigen in Chatrooms, Foren oder Online-Spielen mit dem Ziel, sie sexuell zu missbrauchen. Falls das angegebene Alter nicht mit dem Schreibstil des eigentlich erwachsenen Teilnehmenden zusammenpasst, könnte die Mo- deration des Forums benachrichtigt werden. Auch wenn sich bereits bekannte auffällig gewordene und geblockte Personen mit einem neuen Profil in Foren einloggen, können textforensische Me- thoden dies mit einer gewissen Wahrscheinlich- keit erkennen. Die Studie ist frei verfügbar unter www.sit.fraunhofer.de/jugendschutz 7

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: Roman Möhlmann (V.i.S.d.P.), Josef Oskar Seitz (Chef redak tion), Dr. Sonja Endres Redaktionelle Mitarbeit: Dr. Janine van Ackeren, Marina Babl, Mandy Bartel, Markus Borgmann, Christine Broll, Meike Grewe, Sirka Henning, Dr. Monika Offenberger, Laura Rottensteiner-Wick, Tim Schrö- der, Beate Strobel, Mehmet Toprak, Britta Widmann Layout + Litho: Vierthaler & Braun Titelbild und Fotografie der Titelstrecke: Ragnar Schmuck Fotograf Artikel Wasserstoff: Christian Burkert Druck: hofmann infocom GmbH, Nürnberg © Fraunhofer-Gesellschaft e.V. München 2022 Fraunhofer in Social Media: @Fraunhofer www.facebook.com/ fraunhoferde www.instagram.com/ fraunhofergesellschaft www.linkedin.com/company/ fraunhofer-gesellschaft www.youtube.com/ fraunhofer 1 | 22 Filtrierende Fische schwimmen mit geöffnetem Maul, um kleine Partikel aus dem Wasser aufzunehmen. Was Fische mit Waschmaschinen gemeinsam haben Fischkiemen dienen als Vorbild für neuartige Mikroplastikfilter in Waschmaschinen. Durch Abrieb lösen sich dort winzige Kunststoffpartikel aus Synthetikfasern – je Kilogramm Wäsche mehrere hundert Milligramm. P rof. Alexander Blanke kann sich für Waschmaschinen begeistern – und für Fische. »Es gibt viele fil- trierende Tiere«, sagt der Biologe vom In- stitut für Evolutionsbiologie und Ökologie der Universität Bonn, »aber der Apparat der Fische weist im Vergleich die höchste Ähnlichkeit zu den Verhältnissen in der Waschmaschine auf.« Prof. Blanke spricht von den Kiemenbögen und vom Nahrungs- transport in den Verdauungstrakt. Zusam- men mit Forschenden des Fraunhofer-In- stituts für Umwelt-, Sicherheits- und Ener- gietechnik UMSICHT und Partnern aus der Industrie arbeiten er und sein Team im Projekt FishFlow an innovativen Filtern, die den Faserabrieb in der Waschmaschine auffangen sollen – und so die Umwelt vor der Kunststoffbelastung schützen. Dafür haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die Kiemengeometrie verschiedener Fische vermessen. Aus die- sen Daten erstellen sie Computermodelle der Kiemen, führen Simulationen durch und bauen sie am 3D-Drucker nach. So er- mitteln sie, welche Filtergeometrien am effizientesten sind. Die bionischen Model- le der Kiemenstrukturen werden dann im Strömungskanal und zuletzt in der Wasch- maschine getestet. Das interdisziplinäre Forschungsteam kommt aus der Biologie, den Materialwis- senschaften und den Ingenieurwissen- schaften. Da der Filter einen Beitrag zum Umweltschutz leisten soll, spielt auch die Nachhaltigkeit der Filterproduktion selbst eine wichtige Rolle: »Wir werden schon früh bei der Produktentwicklung eine Öko- bilanz erstellen«, sagt Dr. Ilka Gehrke vom Fraunhofer UMSICHT. Leandra Hamann, die im Team von Prof. Blanke promoviert, forscht schon seit Jah- ren zu Suspensionsfressern, also Lebewe- sen, die sich von im Wasser schwebenden Partikeln (Suspension) ernähren. Dabei handelt es sich um sehr verschiedene Or- ganismen – von Schwämmen über Fische bis zu Flamingos mit unterschiedlichen Filterstrategien. Hamann fand über 35 ver- schiedene Filterfunktionsarten. Die Fische schnitten am vielversprechendsten ab. Ziel des Forschungsteams ist es jetzt, einen Fil- ter zu entwickeln, der eine Rückhalteeffi- zienz von mehr als 90 Prozent aufweist. 9 l h s a p s n U / n a W u o y g n e F , o t o h p k c o t s i / a l l e m O i o E l , o t o h p k c o t s i / e h t i e G f l a R : s o t o F

1 | 22 So schmeckt die Zukunft Henne oder Ei – was war zuerst da? Die uralte Frage wird von der Wirklichkeit überholt. Jetzt gibt es das Ei ganz ohne Huhn. Und auch sonst ist unsere Ernährung im Umbruch. Von Dr. Janine van Ackeren, Fotografie: Ragnar Schmuck 11

1 | 22 Vielfalt ganz ohne Ei: 85 Prozent der Testesser konnten nicht unterscheiden, welche Speise auf veganem Ei oder Hühnerei basierte. Dr. Siegfried Fürtauer hat für die Schale eine neue Generation von Bioplastik entwickelt. Für die Zerbrechlich- keit sorgt beigemisch- tes Calciumcarbonat. Erst ein komplexes Wechselspiel von Ionen und algenba- sierten Hydrokolloi- den lässt das flüssige Eigelb zum kugelför- migen Dotter mit Dotterhaut werden. 13

ist weitgehend abgeschlossen, im Pilot-Maßstab lassen sich die Eierschalen bereits herstellen. Wie kommt das Ei in die Schale? Für eine industrielle Produktion bleiben noch einige He- rausforderungen. Generell bestehen zwei Möglichkeiten. Die erste: Man produziert die komplette Eierschale, spart jedoch ein Füllloch aus, durch welches sowohl Eigelb als auch Eiklar flüssig eindosiert werden können. Diese dür- fen sich vorerst nicht mischen – es sei denn, sie werden geschüttelt oder gerührt – da sie unterschiedlich dick- flüssig sind. Doch bildet sich die Eigelbkugel auch nicht von allein. Um diese entstehen zu lassen, und das ist der schwierige Teil, müssen der Durchmesser des Lochs, die Geometrie der Eierschale, der Düse, die Befüllzeit und der -druck exakt stimmen. Durch die komplexe Wechsel- wirkung zwischen den Inhaltstoffen des Eigelbs und des Eiklars wird dann die Eigelbkugel stabilisiert, und es bil- det sich die charakteristische Dotterhaut. García-Arteaga und Fürtauer sind zuversichtlich, dass dieser Ansatz an der Seite bereits gefundener Maschinenlieferanten-Part- ner gelingen wird. Der zweite Weg: Das vorverkapselte runde Eigelb wird in eine offene Eierschale gelegt, diese mit dem Eierschalen-Gegenstück, also dem Deckel der Verpackung, versiegelt, und das Eiklar durch das Füll- loch eingefüllt. Während der erste Ansatz sich nur mit den entsprechenden industriellen Anlagen realisieren lässt, konnte der zweite Ansatz seine Tauglichkeit bereits im Labor unter Beweis stellen. Nun muss jedoch auch er noch auf die industrielle Ebene überführt werden. Ende 2023 soll es so weit sein: Dann soll das vegane Ei samt seiner »Eierschalen-Verpackung« in den Regalen von Supermärkten zu finden sein. Doch wird die VEgg GmbH die Zeit bis dahin nicht »Ei-los« verstreichen las- sen: Als Zwischenschritt werden die Firmengründer flüs- siges Rührei, in dem Eiweiß und Eigelb bereits vermischt sind, in Beutel und Container abfüllen und diese z.B. an Bäckereien, Gastronomie oder andere B2B-Kunden ver- markten. Im Einzelhandel wird das vegane Rührei oder auch seine individuellen Komponenten Eigelb und Eiklar in Gläsern und Tetrapaks, Flaschen oder Joghurtbechern erscheinen – hier wird neben der technischen Machbar- keit bei der Abfüllung und der Benutzerfreundlichkeit vor allem auch die Nachhaltigkeit der Verpackungen ei- ne große Rolle spielen. Diese Rührei-Varianten könnten, so hoffen García-Arteaga und Fürtauer, bereits 2022 auf den Markt kommen. Dabei hat das VEgg-Team keines- wegs nur Veganer als Zielgruppe im Blick. »Ein Ei-Ersatz, der wie ein Ei schmeckt und wie ein Ei aussieht, findet sicherlich eine breite Akzeptanz – anders als beispiels- weise Tofu, der zwar als Fleischersatz eingesetzt wird, 1 | 22 aber keinerlei Ähnlichkeit mit dem tierischen Produkt hat«, sagt Fürtauer. Gute Nachrichten also für Menschen, die weniger Eier verzehren wollen, dafür aber nicht zu großen geschmacklichen Kompromissen be- reit sind. Größer denken als das Ei »Unser Ziel war eine bio ab­ bau bare Eierschale, die auf den Kompost geworfen werden kann, in industriellem Maßstab herstellbar ist – und sich mit dem Eier­ löffel aufschlagen lässt.« Das Ei des Kolumbus für die Er- nährung der Zukunft ist auch mit dem »Bettr Egg« noch nicht gefunden. Es geht um mehr. »Bei der Lebens- mittelfrage schauen wir nicht nur auf einzelne, alleinstehende Ent- w ick lungen«, sagt Prof. Andrea Bütt- ner, Leiterin des Fraunhofer IVV. Sie behält das große Ganze im Blick. »Wir brauchen einen Wandel der Wirtschaft und ei nen Wa ndel bei den Konsu- mentinnen und Konsumenten – ansonsten laufen wir weiter auf ein riesiges Problem zu.« Dr. Siegfried Fürtauer kam vom Fraunhofer IVV zu »Bettr Egg« Zwar mögen viele Veganer ihre Entscheidung, keine von Tieren erzeug- ten Produkte zu ver- zehren, aus Gründen des Tierwohls getroffen haben. Doch machen auch Klima- und Res- sourcenprobleme es un- umgänglich, von tierischen Produkten zunehmend auf pflanzliche Lebensmittel um- zuschwenken. Dazu kommt Roh- stoffmangel. Schon jetzt klagen deutsche Unternehmen über massive Lieferschwierigkeiten bei Lebensmittel- rohstoffen und Verpackungsmaterialien – in Zukunft dürfte sich die Situation weiter 15

1 | 22 »Wir produzieren Fisch aus echten Fischzellen, die wir im Bioreaktor auf Gerüststrukturen züchten.« Dr. Sebastian Rakers, Gründer und Geschäftsführer von Bluu Seafood schäftsführer von Bluu Seafood. Auf diese Weise müssen keine Fische für die Nahrungsversorgung sterben, auch ist das Fischfleisch frei von Gentechnik, Antibiotika und Umweltgiften. Fötales Kälberserum, das die zellbasierte Fleisch- und Fischzüchtung anfangs ein Stück weit in Ver- ruf gebracht hat, setzt das Team dank selbst entwickelter Nährmedien ebenfalls nicht ein. Zunächst einmal sollen hybride Produkte wie Fischbällchen, Fischstäbchen und Fischtartar aus Zellkomponenten und pflanzlichen Pro- teinen produziert und an Restaurants geliefert werden, später werden die Produkte auch in Supermärkten zu finden sein. Langfristig soll das Angebot auch Fischfilet umfassen. Bei ihren Forschungsarbeiten kooperiert die Bluu Seafood nach wie vor eng mit dem Fraunhofer EMB, das assoziierter Bestandteil der Fraunhofer-Einrichtung für Individualisierte und Zellbasierte Medizintechnik IMTE in Lübeck ist. Nachhaltig kann auch eine Fischzucht in Aquakultur und Marikultur sein. Doch dürfen sich im Wasser und im Fisch natürlich keine Krankheiten entwickeln. Im EU-Projekt »Rasopta« arbeiten die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IVV daher an Fütterungstech- niken, entsprechenden Sensoren und Filteranlagen, um Krankheiten frühzeitig zu erkennen und vorsorgen zu können. Auch Fehlaromen wie muffiger Geschmack las- sen sich durch die entwickelten Technologien vermeiden. Die Kolleginnen und Kollegen des Fraunhofer EMB for- schen an einer verbesserten Nachhaltigkeit von Fisch- produkten. Denn vielfach wird nicht der gesamte Fisch verkauft, sondern nur das Filet. Dabei bleibt viel gutes Fischfleisch zurück und landet im Abfall. Das Forscher- team nutzt dieses Fischfleisch und verarbeitet es zu einem gesunden Proteinsnack in Chipsform, der sich – ebenso wie Kartoffelchips – gemütlich auf dem Sofa futtern lässt. Dabei sind diese Chips deutlich gesünder als herkömm- liche, so enthalten sie beispielsweise hochwertige Ome- ga-3-Fettsäuren. Weiterhin baut Fraunhofer die For- schungskapazitäten im Wachstumsbereich Aquakultur gezielt aus. Seit dem 1. Januar 2022 verstärkt das For- schungsteam der Gesellschaft für Marine Aquakultur mbH die Fraunhofer IMTE. Mit vereinten Kräften wollen die Forschenden neue Lösungen für umweltgerechte Aqua- kulturverfahren erarbeiten. Algen im Bier? Beispiel Algen. Chiasamen, Brennnessel und Grünkohl sind als Superfood bekannt. Doch haben auch Makroal- gen wertvolle Inhaltstoffe, die ihnen bereits heute einen Rang auf der Superfood-Liste sichern. Schließlich ent- halten sie viele Ballaststoffe, Proteine und Mineralstoffe. Dazu kommt: Die Algen werden im Meer gesammelt oder d o o f a e S u u B l , i n i s o r o M a l e a h c i M : s o t o F angebaut – ohne Ackerland, ohne Dünger, ohne zusätz- liche Energie. Zudem entnehmen sie dem Meer Nährstoffe, die durch Düngemittel von den Äckern im Übermaß dort hineingelan- gen und Probleme nach sich ziehen. Im Gegensatz zu anderen Super- food-Produkten stehen Algen jedoch bislang vor allem in Tablettenform als Nahrungs- ergänzungsmittel zur Ver- fügung. »Wir wollen die Algen – insbesondere aus Europa – stärker auf dem Speisezettel der Deutschen ver- ankern«, erläutert Elke Böhme, Grup- penleiterin am Fraunhofer EMB. »Und wie könnte das besser gelin- gen als im Bier, einem der liebs- ten Getränke der Deutschen?« Die Algen liefern mit ihrem besonde- ren Geschmack und ihrer interes- santen Farbe quasi das gewisse Etwas im Gerstensaft. Das Herstellungsverfah- ren ist entwickelt – das Algenbier lässt sich in einer Standardbrauerei herstellen, die Alge wird dabei einfach beim Brauver- fahren mit hinzugegeben. Lieber die alkoholfreie Variante? Auch dafür haben die Forscherinnen und Forscher ein Verfahren entwickelt: Her- aus kommt eine gebraute Algenlimonade. Doch lassen sich Algen wie Lappen- oder Zucker- tang nicht nur in flüssigen Nahrungsmitteln einsetzen, sondern auch zu Algeneis und Algenpesto aufbereiten, wie verschiedene Projekte des Fraunhofer EMB zeigen. Über gesundheitlich interessante Inhaltstoffe verfü- gen ebenfalls die kleinen Artgenossen des Lappentangs, die Mikroalgen: Proteine, Omega-3-Fettsäuren, verschie- dene Pigmente mit antioxidativer Wirkung, Phytostero- le. Wie sich Mikroalgen im Photobioreaktor züchten 17

gewinnung verwendet werden, etwa von Ananas – der aufgrund des hohen Ballaststoffanteils ernährungsphy- siologisch sehr wertvoll ist – und mit Minze und Ingwer oder Mango und Paprika verfeinert werden. Anfang 2023 sollen die gesunden Snacks aus »krummen Dingern« auf den Markt kommen. Lebensmittelverluste vermeiden wollen die Forsche- rinnen und Forscher des Fraunhofer IVV auch im Projekt »SHIELD – Sichere heimische (Bio-)Lebensmittel durch sensorische Detektionsverfahren«. So sollen es sensori- sche Methoden erleichtern, insbesondere bei schnell ver- derblichen Biowaren Qualitätsprognosen zu erstellen und Logistikketten zu optimieren – und damit die tatsächli- chen Wünsche der Lebensmittelindustrie und der Ver- braucher zu erfüllen. »So wie wir Menschen mehrere Sin- ne haben, verlassen wir uns auch beim technologischen Ansatz nicht auf einen einzelnen Kanal, sondern kombi- nieren Sensortechnologien, optische Methoden und in- telligente Algorithmen«, sagt Büttner. »Das Ergebnis sind Handgeräte und smarte Software, die auch in kleinen Betrieben einsetzbar sind. Zusätzlich wollen wir Metho- den etablieren, mit denen sich die Authentizität sowohl von Rohstoffen als auch von produzierten Lebensmitteln nachweisen lässt«, erläutert Dr. Susann Vierbauch, die das interdisziplinäre Konsortialprojekt koordiniert. Wie verändern neue Lebensmittel unseren Geschmackssinn? Veganes Ei und Fisch aus der Petri-Schale, Erbsenkäse und Algenbier: Der Umbruch in der Ernährung ist nicht zu übersehen. Doch wie wird sie schmecken, die Zukunft? »Die Zukunft schmeckt sehr viel regionaler«, antwortet Büttner, »wir werden viele Dinge aus heimischer Produk- tion neu erfinden, neu wertschöpfen müssen, um lange Transportketten mit CO2-Emissionen zu vermeiden. Und wir werden ganz viel Altes im großen Maßstab wieder- entdecken.« Die Fraunhofer-Institutsleiterin erinnert an die Renaissance von Verarbeitungs- und Veredelungs- techniken wie der Fermentation. »Was wir heute essen, ist ein Produkt des Zufalls. In Krisenzeiten aßen Leute Dinge, die eigentlich vergammelt waren – und sie merkten: Das schmeckt besser und ist nährender als die gewohnte Nah- rung.« So seien, erzählt Büttner, Brot, Milchprodukte und gereifte Wurstwaren, Essig und alkoholische Getränke entstanden. »Diesen Prozess führen wir fort und entwi- ckeln ihn weiter, vor allem im Hinblick auf pflanzliche Rohstoffe. So entstehen neue Texturien und neue Lebens- mittel, die unser Verbraucherverhalten und unseren Ge- schmack der Zukunft prägen werden.« Nutzen lässt sich Fermentation nicht nur, um gewohn- te Lebensmittel mit neuen Ausgangsstoffen zu imitieren, 1 | 22 sondern auch, um gänzlich neue Geschmackseindrücke zu entwickeln. Eine spannende Frage in diesem Zusam- menhang: Wie lässt sich die Neugier der Konsumenten wecken, sodass sie neuartige Lebensmittel ausprobieren, die ihnen vielleicht besser schmecken und obendrein Klima, Tiere und Gesundheit schonen? Denn: Was uns schmeckt, ist keinesfalls festgezurrt und unabänderlich. »Was gemocht wird, ist in einem ständigen Fluss«, weiß Prof. Jessica Freiherr, Gruppenleiterin am Fraunhofer IVV. »Je häufiger wir Dinge essen, desto besser schme- cken sie uns.« So zeigte eine Studie: Wurde Babys der anfangs weitgehend verschmähte Brokkolibrei immer wieder angeboten – und zwar ohne Druck, sondern lie- bevoll und in angenehmem Umfeld –, war er nach acht Tagen ebenso beliebt wie Karottenbrei. Inwieweit die Ver- trautheit mit bestimmten Lebensmitteln deren Akzeptanz auch bei Erwachsenen steigert, untersuchen die Forsche- rinnen und Forscher derzeit am Institut. Eines der Ergeb- nisse: Tranken Erwachsene über sieben Tage spezielle Milchshakes mit ungewohntem Geschmack, stieg auch bei ihnen die Beliebtheit des Getränks. Kann also ein Ei, das gänzlich von Men- schenhand entwickelt wurde, tatsächlich schmecken? Dies untersuchten García- Arteaga und Fürtauer in ersten Blind- verkostungen mit etwa hundert Testpersonen, die BettrEgg in Form von Muffins und Quiche sowie herkömmliche, mit Hühnerei hergestellte Va- rianten probierten. Das Ergebnis: 85 Prozent der Testesser konnten nicht erkennen, welches Pro- dukt auf veganem Ei und welches auf Hüh- nerei basierte. Bei der Quiche schmeckte 100 Prozent der Test- personen die vegane Version besser. Sie empfanden sie als saftiger und angeneh- mer vom Geruch. Zu- mindest in Bezug auf das vegane Ei scheint unser Geschmackssinn also schon bereit zu sein für die Zukunft – auch wenn sich das Ei bislang noch nicht österlich färben lässt. »Je häufiger wir Dinge essen, desto besser schmecken sie uns.« Jessica Freiherr, Fraunhofer IVV 19

Bei uns wird immer weniger Fleisch produziert, Herr Özdemir: eine gute Nachricht für Deutschland? Wenn stattdessen im Ausland zu schlechteren Umwelt- und Tierwohlbedingungen produ- ziert und nach Deutschland exportiert wird, haben weder Klima, noch Tiere, noch unsere heimische landwirtschaftliche Produktion etwas davon. Eine gute Nachricht wäre, wenn in Deutschland bei Angebot und Nachfrage konsequent auf Qualität gesetzt würde. Bei der Angebotsseite wollen wir in dieser Legislatur- periode echte Fortschritte erzielen und den Um- bau der Nutztierhaltung vorantreiben. Denn so wie es jetzt ist, geht es nicht weiter – das System geht zu Lasten der Tiere, der Umwelt und der Landwirtschaft selbst. Ein zentraler Baustein ist eine verbindliche Tierhaltungskennzeichnung, an der wir gerade arbeiten. Sie wird die tatsäch- lichen Haltungsbedingungen in den Ställen transparent machen. Ein weiterer Baustein ist die Herkunftskennzeichnung. Was ist hier geplant? Wir wollen auf europäischer Ebene die Her- kunft von Lebensmitteln sichtbarer machen. Denn die Verbraucherinnen und Verbraucher wollen wissen, wo ihr Essen herkommt – und unsere Landwirte können dann mit der Her- kunft punkten. Wenn im Supermarkt-Flyer mit der Herkunft geworben wird, statt mit dem Son- derpreis, dann haben alle etwas davon. Es ist ja auch eine Frage der Wertschätzung für unsere Landwirtinnen und Landwirte. Für mich ein wichtiger Aspekt: Die Herkunftskennzeichnung macht auch Transportwege sichtbar und ist so ein Baustein für klimagerechteren Konsum. Im fünften Jahr registriert das Statis- tische Bundesamt einen Rückgang im Fleisch- konsum, allein bei Schweinen 2021 um 2,9 Prozent auf 51,8 Millionen geschlachtete Tiere. Würden Sie einem jungen Menschen noch raten, den landwirtschaftlichen Betrieb der Eltern zu übernehmen? Die Schlachtstatistik ist nur eine Seite der Me- daille. In den vergangenen zehn Jahren hat sich die Zahl der schweinehaltenden Betriebe fast halbiert, während die Zahl der Schweine nahe- zu unverändert ist. Wir sind mitten in einem Konzentrationsprozess – hin zu weniger, aber 1 | 22 »Unser Ministerium hat das viertgrößte Forschungs­ budget. Forschung und Innovation können beitragen, scheinbare Zielkonflikte aufzulösen.« Cem Özdemir dafür immer größeren Betrieben. Viele Fami- lienbetriebe können dabei nicht Schritt halten. Von jedem Euro, den die Kunden an der Kasse für Fleisch ausgeben, bekommen die Bäuerin- nen und Bauern gerade einmal 21 Cent ab. Das ist das Ergebnis einer zu einseitig ausgerich- teten Agrarpolitik. Ich bin nicht bereit, dieses ausbeuterische System weiter hinzunehmen. Wir wollen den Betrieben eine ökologisch und ökonomisch nachhaltige Perspektive bieten, da- mit die Jungen gerne den Betrieb übernehmen und eine Existenzgrundlage haben. Damit ist auch ein größeres gesellschaftliches Ziel ver- bunden: Dort, wo es Landwirtinnen und Land- wirte gibt, dort engagieren sie sich auch im und für den ländlichen Raum. Das stärkt den Zu- sammenhalt und die Dorfkultur. Sie sind schon als Verkehrsminister gehandelt worden, als Außenminister mit dem Argument Ihrer Familienherkunft. Jetzt also Landwirtschaftsminister. Was verbindet Sie mit dem Bauernstand, wie das früher mit Stolz hieß? Politisch habe ich dieses Feld tatsächlich noch nicht beackert. Die Eltern meines Vaters waren Landwirte. Dort, in der Türkei, bin ich früher immer in den Sommerferien gewesen. 21 l a p d / d e f t e N y a K i : o t o F

»Die Fraunhofer­Ausgründung ConstellR will eine hochpräzise und damit nachhaltigere Bewirtschaftung unserer Felder möglich machen. Die Landwirtschaft ist moderner, digitaler und technisierter, als viele denken.« Cem Özdemir vor, solche Flächen bei den EU-Direktzahlungen zu berücksichtigen. Auch nach dem EEG sollen diese Anlagen gefördert werden. Wie kann Forschung dazu beitragen, Ökonomie und Ökologie auch in der Landwirt- schaft zu verbinden? Unser Ministerium hat das viertgrößte For- schungsbudget aller Ressorts. Unsere nachge- ordneten Behörden forschen an vielen Stellen dazu. Denn nur, wenn wir Ökonomie und Ökologie zusammenbringen, hat die Landwirt- schaft in Deutschland eine gute Zukunft. For- schung und Innovation können dazu beitragen, scheinbare Zielkonflikte aufzulösen. Haben Sie Beispiele? Ich denke hier vor allem an die Digitalisierung in der Landwirtschaft. Hier gibt es schier end- lose Möglichkeiten, die Landwirtschaft umwelt- und ressourcenschonender zu machen. Wir fördern zum Beispiel aktuell ConstellR – ein Start-up, das mit einer eigenen Satellitenflotte aus dem All die Bodengesundheit misst. Diese Fraunhofer-Ausgründung will eine hochpräzise und damit nachhaltigere Bewirtschaftung un- serer Felder möglich machen. Es gibt Techniken, die den Pestizideinsatz erheblich reduzieren oder sogar überflüssig machen: Roboter, die Un- kräuter mithilfe einer KI-gestützten Bilderken- nung bekämpfen – und zwar rein mechanisch mit Hitze, Lasern oder Strom. Damit schützen wir auch den Artenreichtum. Davon gibt es noch viel mehr Beispiele: Die Landwirtschaft ist jedenfalls moderner, digitaler und technisierter, als viele denken. »Als Jugendlicher«, haben Sie einmal gestanden, »habe ich die Träume meiner Eltern zerdeppert.« Worauf wären Ihre Eltern heute stolz? Na ja, als Rockmusik hörender, grüner Vegeta- rier in zerrissenen Jeans in einer Erzieheraus- bildung habe ich zeitweise nicht gerade dem Idealbild eines Sohnes entsprochen. Aber meine Eltern waren immer stolz auf mich und haben mich unterstützt. Ich denke, sie wären jetzt be- sonders stolz darauf, dass ich nun als Bundes- minister arbeiten darf. Der Weg war mit Sicher- heit nicht vorgezeichnet. 1 | 22 2002 »Bonusmeilenaffäre«: Özdemir hat Flugmeilen privat genutzt und von einem Lobbyisten einen günstigen Kredit angenommen. Der Abgeordnete reagiert konsequent: Er legt sein Bundestags mandat nieder und verabschie- det sich mit einem Stipendium in die USA. »Ich war fertig mit der Politik«, sagt er. 2004 kehrt er als Mitglied des Europaparlaments in die Politik zurück. 2016 Yoga-Praktiker Özdemir verärgert Teile seiner Partei mit einem Bekenntnis zum Waffeneinsatz: »Den Islamischen Staat bekämpft man nicht mit Yoga-Matten!« 2018 Handreichung Özdemir streckt dem türkischen Präsidenten Erdogan die Hand hin, der zögert. Das Verhält- nis wirkt zerrüttet. Erdogan beschimpfte Özdemir als »angebli- chen Türken«, dessen Blut verdorben sei. 23 f i a l / r e g n i F n a f e t S , s e c i v r e S o t o F E K N U F / o t t O o g n I , s e g a m I A B O R / n o r e p a h C e c n e r u a L , a p d e l l a / n a r g a l l i V l e u g M i , a k n e z c r t u J n o v d n r e B , n e t r a g m u a B h c i r l U , t a v i r p : s o t o F

angelaufen und wird vom Bundesministe- rium für Ernährung und Landwirtschaft mit 1,6 Millionen Euro gefördert. Unter der Leitung des Verbunds Transformationsfor- schung agrar Niedersachsen umfasst der Projektverbund neben dem Fraunhofer IZFP verschiedene weitere Partner mit Experti- se im Tier-, KI- und Sensorbereich. Das Ziel von SmartPigHome ist es, den Landwirt in seiner Arbeit und seinen Ent- scheidungen zu unterstützen. Sensoren er- fassen Temperatur, Luftfeuchte und den Ge- halt bestimmter Gase. Sie registrieren aber auch über Ton- und Bilddaten das Verhalten der Schweine. Mithilfe von KI-Modellen sol- len dann unter Berücksichtigung aller Da- tenquellen Rückschlüsse auf die Stimmung der Tiere gezogen werden. Erkennen die Al- gorithmen, dass die Schweine unruhig oder aggressiv sind, bekommt der Landwirt eine Push-Benachrichtigung auf sein Handy. In kritischen Situationen aktiviert ein Beschäf- tigungstool mit sich bewegenden Lichtpunk- ten den Spieltrieb der Schweine und lenkt sie ab, bis Bäuerin oder Bauer vor Ort ein- greifen können. »Unsere Sensorsysteme können somit die Augen und Ohren für den Landwirt sein, wenn dieser nicht im Stall ist, und bieten zusätzliche Unterstützung, um manche Situationen und Trends wahr- zunehmen, die sonst nicht rechtzeitig er- kannt werden«, sagt Fischer. Nachhaltigkeit und Transparenz im Schweinestall Dass die Idee von SmartPigHome von großer gesellschaftlicher Relevanz ist, zeigt ein Blick auf die aktuelle Situa- tion im Bereich der Schweinehaltung in Deutschland. Obwohl der Fleischkonsum der Deutschen in den vergangenen Jahren zurückgegangen ist, landeten laut einer Studie des Bundesinformationszentrums Landwirtschaft im Jahr 2020 pro Kopf immer noch 57,3 Kilogramm Fleisch auf dem Teller. Fast 60 Prozent davon mach- te Schweinefleisch aus. Um diesen Bedarf zu decken, wurden dem Fleischatlas 2021 zufolge im Jahr 2019 in Deutschland über 55 Millionen Schweine geschlachtet. Ver- braucher fordern von der Landwirtschaft im Allgemeinen und der Fleischwirt- schaft im Speziellen zunehmend mehr Nachhaltigkeit und Transparenz. Gleich- zeitig ist der Preis, den ein Landwirt bei der Schlachtung für ein einzelnes Mast- schwein bekommt, sehr schwankend und zuletzt immer weiter gesunken. Schon ein einziges Schwein, das krank wird oder gar frühzeitig stirbt, kann daher einen emp- findlichen finanziellen Verlust bedeuten. Tierwohl rechnet sich also. Für die Stimmung im Stall liefern die Schweine selbst die wichtigsten Daten. Damit ein echter Nutzen für die Praxis besteht, müs- sen die Sensoren Informationen möglichst in Echtzeit auswerten und übermitteln. Bei bisherigen Forschungsprojekten in die- sem Bereich wurde der Fokus meist auf die Entwicklung neuer Algorithmen ge- legt, erklärt Fischer: »Häufig wurden über mehrere Wochen hinweg in einer ideali- sierten Stallumgebung riesige Mengen an Daten aufgenommen, vor allem Bilddaten, um dann nach einer aufwendigen Aus- wertung sagen zu können: Oh, in der zwei- ten Woche ist etwas Auffälliges passiert. Diese Information kommt für den Land- wirt dann aber zu spät.« Einer der Projektpartner von Smart- PigHome beschäftigt sich vor allem mit Bilddaten und analysiert beispielsweise Bewegungs- und Liegeverhalten der Tiere. Am Fraunhofer IZFP konzentriert man sich in dem Projekt aber insbesondere auf akus- tische Daten. Fischer: »Diese lassen sich mit vergleichsweise wenig Rechenkapazi- tät auswerten. Wir wollen evaluieren, wie sie sich in der Praxis sinnvoll nutzen las- sen. Gleichzeitig sind die Laute, die Schwei- ne von sich geben, sehr aussagekräftig, und gerade Stresssituationen lassen sich damit sehr gut erkennen.« Sind Schweine ent- spannt, grunzen sie tendenziell in niedri- geren Frequenzen, in Pro blemsituationen werden die Töne schriller. Betritt jemand den Stall, stoßen Schweine zudem häufig eine Art Belllaut aus. Trainiert werden die Algorithmen, die die Stimmung am Ende richtig erkennen sollen, durch das Wissen der Landwirte. Fischer betont: »Für mich als Ingenieurin ist es faszinierend, wie gut Landwirte das Wohl ihrer Tiere an den kleinsten Indizien erkennen können. Unser Ziel kann es nur sein, dass unsere Sensorsysteme annähernd so zuverlässig werden wie die Landwirte.« Bei der Erfassung der Bild- und Ton- daten wollen die Forschenden auf bestehen- 1 | 22 de und möglichst kostengünstige Sensoren zurückgreifen. Das Beschäftigungstool, das von einem weiteren Kooperationspartner entwickelt wird, soll an den Stalldecken montiert werden. Beamersysteme auf Schie- nen sollen über die verschiedenen Schwei- nebuchten fahren und gezielt die Tiere an- steuern, bei denen das Sensorsystem Stress oder Anzeichen, dass es zu Stress kommen wird, identifiziert hat. Die Idee dahinter ist, dass die Tiere dann beispielsweise mit ihrer Nase Fußball-ähnliche Lichtpunkte bewegen können und nach dem Spielen eine Futterbelohnung erhalten. Zwei Ställe, ein Ziel Spätestens im Sommer sollen die ersten Sensorsysteme installiert und dann auch die ersten Messdaten generiert werden. Dabei wird mit zwei verschiedenen Ställen gearbeitet. Der eine ist ein konventionel- ler Schweinemastbetrieb für die Untersu- chung unter Realbedingungen, der andere ein idealisierter Teststall der Tierärztlichen Hochschule Hannover, in dem beispiels- weise für die Entwicklung des Beschäfti- gungstools untersucht werden soll, wie die Schweine auf unterschiedliche Licht- und Farbbedingungen reagieren. Das Projekt ist zunächst auf drei Jahre angelegt. Sarah Fischer freut sich schon sehr auf den weiteren Verlauf: »Ich bin gu- ter Dinge, dass wir mit unserer Arbeit da- zu beitragen können, das Wohlbefinden von Schweinen in Mastbetrieben besser zu verstehen und zu steigern.« Ihre langfris- tige Vision ist es, dass die so neu erfassten Daten auch in offizielle Anforderungen an Haltungsformen und Tierwohlkennzeich- nungen mit aufgenommen werden. »Das würde Tierwohl auf eine tierbezogenere Art und Weise quantifizieren und das, was Tierwohl ausmacht, bis zum Verbraucher sichtbar machen. Davon hätten auch die Landwirte einen Mehrwert. Ich glaube, nur so kann unsere Landwirtschaft in Deutsch- land nachhaltig bestehen.« — Wie unterscheidet sich ein zufriedenes Grunzen von einem unruhigen oder aggressiven? Hier geht‘s zum Podcast: 25 e n i l l n O 1 F / y m a A / n i v o r b u D v a l s e h c a V i : o t o F

1 | 22 Moose können das 12- bis 20-Fache ihres Eigengewichts an Wasser aufnehmen. Moos dient als natürliche Klimaanlage – nicht der einzige Grund, warum es in Zukunft Fassaden bewuchern sollte. 27

1 | 22 dioübertragung ins Studio nahe«, erinnert sich Seeliger. Dabei traten allerdings erhebliche Störeinflüsse durch andere Dienste auf der IP-Verbindung auf. »Das war er- nüchternd. Damit das gemeinsame Musizieren funktio- nierte, mussten wir die Verzögerung noch weiter senken und insbesondere die Störeinflüsse beseitigen.« Schließ- lich kamen zwei speziell konfigurierte Streaming-Gerä- te zum Einsatz, die die Tonspuren vor Ort möglichst un- verarbeitet und unkomprimiert übertragen konnten. Zudem trennte das Technik-Team gemeinsam mit dem Internetanbieter K-tel die Audio- und Videospur für die Internetübertragung, sodass diese auf zwei verschiede- nen virtuellen Netzen übertragen wurden, und elimi- nierten sämtliche Störgrößen. Auf diese Weise erreichten sie bei der Generalprobe eine Woche vor dem Konzert schließlich die minimale Verzögerung von nur fünf Milli- sekunden. Großes Interesse der Veranstaltungsbranche Für das Publikum klang es also, als ob die zwei räum- lich getrennten Künstlerinnen und Künstler gemeinsam im Kesselhaus spielen würden. Davon zeigte sich auch Billy Andrews alias »The Dark Tenor« beeindruckt: »Die Classic-RoXX-Tour-Premiere war ein voller Erfolg und hat in Zusammenarbeit mit den Fraunhofer-Instituten neue Möglichkeiten geschaffen, wie Musik und Kunst trotz räumlicher Distanz über das Internet koexistieren können. Ich bin begeistert, dass die Technologie den Künstlerinnen und Künstlern bei der Interaktion hilft. Irgendwann wird sie definitiv ein integraler Bestandteil unserer Arbeit sein«, resümierte der Sänger. Und tatsächlich erregte das Konzert als Modell für zukünftige räumlich flexible Veranstaltungen großes In- teresse. Aus der Veranstaltungsbranche, aber auch von Musikhochschulen erreichten das Fraunhofer-Team zahl- reiche Anfragen. Denn die Verantwortlichen suchen un- ter Hochdruck nach neuen Lösungen, um den Unwägbar- keiten der Pandemie – begrenzte Besucherzahlen, Reisebeschränkungen – die Stirn zu bieten. Lange müssen sie darauf nicht warten: »Weil wir auf bereits vorhandene, bewährte Technik setzen, die wir mit innovativen Tech- nologien verknüpft haben, ist die gesamte neu entstan- dene Toolbox im Prinzip sofort einsetzbar«, sagt Seeliger und ergänzt: »Einzig limitierender Faktor sind die Gege- benheiten vor Ort, denn nicht jede Location eignet sich mit ihrer Internetanbindung für dieses hybride Format. Hier ist ein guter IT-Partner von Vorteil.« Satte Beats, mitreißende Bühnenshows, wippende Köpfe und tanzende Füße – die Magie eines Live-Konzerts über Städte, Länder, Kontinente und Pandemien hinweg erleben: Die Fraunhofer-Technologien eröffnen Kunst- schaffenden neue Möglichkeiten und Ausdrucksformen. Ohne Abstriche in Klang und Bild. Und mit Glückshor- monen, ganz wie in der Zeit vor Covid-19. 29 The »Dark Tenor« auf der Bühne im Berliner Kesselhaus. Der 41-Jährige verbindet Pop und Klassik. 5 Milli - sekunden fürs Zusammen- spiel über räumliche Trennung hinweg. nen »Queenz of Piano« live gemeinsam mit »The Dark Tenor« im Kesselhaus den Song »When you roar«. Was das Publikum als eingespieltes Musizieren erlebt, ist für die Wissenschaftler eine technische Herausforderung. »Entscheidend für das Zusammenspiel war vor allem die Latenz der Audioverbindung, schließlich sollten die Musiker live zusammenspielen. Doch selbst beim heute üblichen Low Latency Streaming gibt es typischerweise Verzögerungen von 3 bis 8 Sekunden – viel zu lang für unsere Zwecke«, erklärt Robert Seeliger, Produktionslei- ter für das Event und VirtualLiVe-Teilprojektleiter beim Fraunhofer FOKUS. Also setzte sein Team einige Hebel in Bewegung: Neben der Plattform Digital Stage nutzten sie Glasfaserverbindungen und neueste 5G-Technologien, separierten durch spezielle Netzkonfigurationen die IP- Verbindungen für Audio- und Videoübertragung, drehten an Streaming-Parametern und optimierten die komplette Wirkkette hinsichtlich der Latenz. »Bei den ersten Tests im Oktober kamen wir schließ- lich den benötigten 30 Millisekunden Latenz bei der Au-

sind 50 000 Spinnenarten bekannt. »Im Spinnen- gift steckt viel Potenzial für die Medizin, etwa bei der Erforschung von Krankheitsmechanismen«, sagt Dr. Lüddecke. Der Leiter der neuen Arbeits- gruppe »Animal Venomics« am Gießener Insti- tutsteil Bioressourcen ist überzeugt, dass sich aus den Bestandteilen, meist Peptiden, vielverspre- chende Wirkstoffkandidaten für die Behandlung zahlreicher Krankheiten entwickeln lassen. Man geht davon aus, dass sich etwa mit dem Giftcock- tail der Australischen Trichternetzspinne neuro- nale Schäden nach Schlaganfällen behandeln und Herzen für Organtransplantationen länger haltbar machen lassen. Andere Wirkstoffkandidaten sind interessant für die Anwendung als Antibiotikum oder als Schmerzmittel. Die Forschung konzentrierte sich bislang auf die Gifte der sehr großen oder potenziell gefähr- lichen Arten, die in den Tropen leben. Die einhei- mischen, kleinen und harmlosen Spinnen standen nicht im Fokus. »Die meisten Spinnen in Mittel- europa sind maximal zwei Zentimeter groß, ihre Giftmenge reichte für Experimente nicht aus. Doch inzwischen verfügen wir über präzise Analyse- methoden, um auch die geringen Mengen der bis- her vernachlässigten Mehrheit der Spinnen unter- suchen zu können«, erläutert Lüddecke. Gift der Wespenspinne entschlüsselt Besonders interessieren sich die Wissenschaft- lerinnen und Wissenschaftler aktuell für die Wespenspinne (Argiope bruennichi), die ihren Namen ihrer auffällig wespenähnlichen Färbung verdankt. Es ist ihnen gelungen, ihr Gift zu ent- schlüsseln, wobei sie zahlreiche neuartige Bio- moleküle identifizierten. Der Vorteil: Das Gift der Wespenspinne enthält nur etwa 53 Biomoleküle. Es ist stark von hochmolekularen Bestandteilen dominiert, dazu gehören sogenannte CAP-Pro- teine und andere Enzyme. Wie in anderen Spin- nengiften sind Knottine vorhanden – allerdings machen diese nur einen geringen Teil des gesam- ten Gemischs aus. Knottine stellen eine Gruppe von neurotoxi- schen Peptiden dar, die aufgrund ihrer Knoten- struktur robust gegenüber chemischem, enzyma- tischem und thermischem Abbau sind. Man könnte diese Moleküle daher als Bestandteil von Medikamenten oral verabreichen, ohne dass sie im Magen-Darm-Trakt verdaut werden. Darüber hinaus binden Knottine spezifisch an Ionenka- näle. »Je spezifischer ein Molekül an sein Zielmo- lekül andockt und nur einen einzigen Typ von Ionenkanal angreift, desto weniger Nebenwirkun- gen löst es aus«, erklärt Lüddecke den Vorteil. Zu- dem beeinflussen die Knottine schon in geringen Mengen die Aktivität der Ionenkanäle. Infolge- dessen können abgeleitete Arzneien niedrig dosiert verabreicht werden. Die Kombination dieser Eigen- schaften macht Spinnengifte so interessant für die Wissenschaft. Zusätzlich entdeckten die Projektpartner im Gift der Wespenspinne Moleküle, die in ihrer Struk- tur Neuropeptiden ähneln. Diese sind für den Trans- port von Informationen zwischen den Nervenzel- len verantwortlich. »Wir haben neuartige Familien von Neuropeptiden gefunden, die wir bislang von anderen Spinnen nicht kennen. Wir vermuten, dass die Wespenspinne damit das Nervensystem von Insekten angreift«, sagt der Forscher. Geschlecht beeinflusst das biochemische Repertoire Das Giftprofil der Wespenspinne ist inzwischen vollständig entschlüsselt. Der nächste Schritt: »Wir bauen genetisch modifizierte Bakterien, die das Toxin in großem Maßstab herstellen.« Die Hauptkomponente des Wespenspinnengifts, das CAP-Protein, konnten Lüddecke und sein Team in Serie herstellen. Erste funktionelle Studien sind bereits gestartet. CAP-Proteine sind aus vielen Tiergiften bekannt. Die der Schlangen sind Neuro- toxine, die auf das zentrale Nervensystem wir- ken und das Opfer lähmen. Das von Zecken und parasitischen Fischen beeinflusst die Blutgerin- nung. Die der Kegelschnecken wirken als Enzyme. »Doch der Wirkmechanismus der CAP-Proteine der Wespenspinne ist völlig unbekannt«, erläu- tert Lüddecke, »daher müssen wir sie in Großserie produzieren.« Die Dynamik des Spinnengifts wurde bislang unterschätzt. »Das biochemische Repertoire wird entscheidend vom Lebensabschnitt, Lebensraum und vor allem vom Geschlecht beeinflusst. Durch ihre Wechselwirkungen steigern die Komponen- ten ihre Wirksamkeit.« — Spinnengift als Hoffnung im Kampf gegen Krankheiten des Zentralen Nervensystems. Hier geht’s zum Video: 1 | 22 »Wir bauen genetisch modifizierte Bakterien, die das Toxin in großem Maßstab herstellen.« Dr. Tim Lüddecke, Fraunhofer IME Dr. Tim Lüddecke bei der Arbeit. Der Leiter der Arbeitsgruppe »Animal Venomics« ist überzeugt, dass Spinnengifte als Wirkstoffkandidaten für die Medizin größtes Potenzial besitzen. 31 e n i l l n O 1 F / y m a A / p m a k n e t S s u a K i l : s o t o F

A n Schlichtheit sind Viren kaum zu unterbieten: ein bisschen Erbgut umhüllt von Proteinen und Lipiden, 20 bis 200 Nanometer klein, nur mit dem Elek- tronenmikroskop zu erkennen. Doch ihre Fähigkeit, lebende Zellen zu entern und sie für ihre Vermehrung zu missbrauchen, macht Viren einzigartig. Häufig zerstören sie dabei ihre Wirtszellen. Dann werden Tiere und Menschen krank – oder gesund: Prof. Susanne Bailer und ihrem Team am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB ist es ge- lungen, das Herpes-simplex-Virus Typ 1 gentechnisch so zu verändern, dass es als wirkungsvolle Waffe gegen Tumorzellen eingesetzt werden kann. Das Herpesvirus ist bekannt für die schmerzenden, unansehnlichen Bläschen, die es auf der Lippe hervorruft. Vor allem bei Menschen mit geschwächter Immun- abwehr können Herpesviren aber auch eine Hirnentzündung auslösen. Bailer, die am Fraunhofer IGB das Innovationsfeld »Virus-basierte Technologien« leitet, ist ein Kunststück gelungen: Sie schaltete die Ge- ne des Virus, die Krankheit verursachen, aus – und machte es damit für die Thera- pie nutzbar. Ein Virus mit viel Speicherkapazität Das Erbmaterial des Herpesvirus besteht aus DNA, nicht aus RNA wie beispiels- weise beim Coronavirus SARS-CoV-2. »Das DNA-Genom ist wesentlich größer als das RNA-Genom, das heißt, es lassen sich zahlreiche zusätzliche Gene dort un- terbringen. Wenn wir das Virus umpro- grammieren wollen, haben wir also einen großen Speicher zur Verfügung«, erklärt Bailer, die bereits seit 20 Jahren an Her- pesviren forscht. Ein weiterer Vorteil: Die grundlegenden Technologien, mit denen sich Herpesviren gentechnisch verändern lassen, sind bereits vorhanden. Befördert von der Corona-Impfstoffentwicklung hat die Forschung hier in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht. Der AstraZeneca-Impfstoff basiert auf Adeno- viren, die bei Schimpansen Erkältungen auslösen, für den Menschen aber harmlos sind. Die modifizierten Viren schleusen die nötigen Informationen für den Aufbau von Impfantigenen in menschliche Zellen, woraufhin SARS-CoV-2-spezifische Anti- körper gebildet werden. Generell, so glaubt Bailer, habe der Erfolg von AstraZeneca die Forschung an gentechnisch veränder- ten Viren bestärkt und frühere Vorbehalte weitgehend ausgeräumt. Bailer und ihrem Team gelang es, die gentechnischen Verfahren zur Manipula- tion der Herpesviren zu verbessern. So konnten sie eine Zielsteuerung einprogram- mieren. »Diese sorgt dafür, dass unsere Vi- ren, die wir direkt in den Tumor injizieren, in Krebszellen eindringen und nicht in ge- sunde. Dort vermehren sie sich und bringen die Zellen zum Platzen.« Dabei werden Tu- »Das Immunsystem ist unsere stärkste Waffe gegen den Krebs. Mithilfe unseres Virus und den freigesetzten Tumormarkern wollen wir es zielgerichtet stimulieren, sodass der Körper sich quasi selbst therapieren kann.« Prof. Susanne Bailer, Fraunhofer IGB mormarker frei, die das körpereigene Im- munsystem im Kampf gegen den Krebs in Stellung bringen. »Zusätzlich aktivieren wir die Immunabwehr mit spezifischen Proteinen, die unsere Viren bei der Repro- duktion abgeben. Das Immunsystem er- kennt daraufhin die Tumorzellen und eli- miniert sie.« Bailer hofft, so auch unentdeckte Metastasen abseits des Tumor- 1 | 22 herdes bekämpfen zu können. »Das Immun- system ist unsere stärkste Waffe gegen den Krebs. Mithilfe unseres Virus und den frei- gesetzten Tumormarkern wollen wir es zielgerichtet stimulieren, sodass der Körper sich quasi selbst therapieren kann.« Erste Erfolge gegen Lungenkrebs Erste präklinische Tests mit dem so- genannten onkolytischen Virus führte das Team des Fraunhofer IGB im Projekt TheraVision durch, in Kooperation mit den Fraunhofer-Instituten für Zellthera- pie und Immunologie IZI, für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM und für Silicatforschung ISC. Die Forscherin- nen und Forscher spezifizierten das Virus zur Therapie des nicht-kleinzelligen Lun- genkarzinoms. Die Sterblichkeit bei dieser Krebsart ist hoch. Nur 22 Prozent aller Pa- tientinnen und 17 Prozent aller Patienten überleben die ersten fünf Jahre nach der Diagnose Lungenkrebs, beim nicht-klein- zelligen Karzinom ist die Prognose wegen seiner frühen Metastasenbildung noch schlechter. Die Ergebnisse der Studien sind viel- versprechend. Die Tumorzellen wurden zuverlässig zerstört, auch bei Metastasen scheint die Virus-Immuntherapie anzu- schlagen. »Das müssen wir allerdings noch weiter untersuchen«, räumt Bailer ein. Noch ist es für eine klinische Erprobung zu früh. Die Voraussetzungen dafür sind jedoch gut, denn das Herpes-simplex-Vi- rus bietet gegenüber anderen Viren einen weiteren entscheidenden Vorteil: Es gibt eine Art »Notbremse«. Wenn es bei der The- rapie von geschwächten Krebspatientinnen und -patienten zu unvorhergesehenen Nebenwirkungen kommen sollte, lässt sich die Vermehrung der Viren zuverlässig mit einem seit fast 50 Jahren erprobten, äu- ßerst wirksamen Virostatikum stoppen. Vor dem Einsatz in der Klinik sind aber weitere Studien notwendig: »Wir müssen die Wirkmechanismen besser verstehen, um das volle Potenzial der Virus-Immun- therapie zu heben. In jedem Fall haben wir jetzt eine Virusplattform-Technologie ent- wickelt, die zukünftig auch für andere Tu- morarten eingesetzt werden kann.« 33 B G I r e f o h n u a r F , E C N E I C S F O E Y E / y r a r b i L o t o h P e c n e i c S : s o t o F

1 | 22 Staffellauf des Wissens Ressourcen- strategie Energiewende 35

4 | 21 Staffellauf des Wissens Frau Prof. Anke Weidenkaff, welche Ressourcen- strategie benötigt die globale Energiewende? 35

1 | 22 einem ganzheitlichen Systemansatz zu be- trachten. So werden Materialien bereits im Entwicklungsprozess nach technischen, ökologischen und ökonomischen Aspekten bewertet. In der Produktionsphase können wir durch Stoffstromanalysen Ressourcen- einsparpotenziale identifizieren. Außer- dem sollten wir die Schließung von Pro- duktkreisläufen bis hin zum Recycling bereits in der Design- und Entwicklungs- phase mitbetrachten und eine effektive Rückgewinnung von Sekundärrohstoffen ermöglichen. Eine Schlüsselrolle wird grüner Wasserstoff spielen Eine vollständige Kreislaufführung ist auch vor dem Hintergrund von stoff- lichen Emissionen in die Umwelt erfor- derlich. Schon in den ersten Produk- tionsschritten entstehen schädliche Emissionen und Nebenprodukte, die in unserer Umwelt großen Schaden an- richten können. Die planetare Grenze der chemischen Verschmutzung, eine von neun planetaren Grenzen, ist wahr- scheinlich bereits überschritten. Genaue Werte sind schwierig zu definieren, da die Messung der Konzen trationen in Umwelt und Mensch komplex ist. Die planetaren Grenzen bedingen sich gegenseitig, z. B. hängen die chemischen Verschmutzun- gen mit dem Klimawandel zusammen. Dieser wiederum ist eng verknüpft mit der Energie- und Verkehrswende. Eine Schlüsselrolle bei der globalen Energiewende wird grüner Wasserstoff spielen. Das Gas eignet sich als Speicher- medium für volatilen Strom aus Wind und Sonne oder direkt als Kraftstoff. Somit kann Wasserstoff maßgeblich zur Dekar- bonisierung von Industrie, Verkehr oder auch Wärmeerzeugung beitragen. Schon jetzt kommen viele Technologien zum Ein- satz, mit denen grüner Wasserstoff aus er- neuerbaren Energien hergestellt werden kann. Auch für das Speichern und das si- chere Transportieren des Gases gibt es schon nachhaltige Lösungsansätze. Brenn- stoffzellen ermöglichen wiederum die Rückverstromung. Neue Materialien sollen nicht nur die neuen Funktionen in Ener- giewandlern und Nachhaltigkeitsanwen- dungen erfüllen, sondern auch selber nach- haltig und sicher sein. Prof. Anke Weidenkaff leitet die Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoff- kreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS. Es wird keine neuen Ressourcen geben, und wir müssen mit der Materie haushalten, die auf der Erde zu finden ist. Der Fokus sollte vermehrt auf die Wiederverwendung der Stoffe gelegt werden. S K W I r e f o h n u a r F : s : o o t t o o F F In der nächsten Ausgabe: Bei Wasserstoff denken viele an die Knallgasreaktion – wie sicher sind die neuen Technologien? 37

Wasserstoff als Energy-Drink für die Industrie: Dr. Ulrike Beyer leitet die TaskForce Wasserstoff am Fraunhofer IWU, Mark Richter das Geschäftsfeld »Klimaneutraler Fabrikbetrieb«. 1 | 22 39

2. Das Material Das Prinzip der Spaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff durch Strom ist mehr als 200 Jahre alt. Heute wird dies in der Regel über sogenannte PEM-Elektro- lyse (Proton Exchange Membran) erreicht. Kernkomponenten sind dabei die zu Sta- peln (»Stacks«) geschichteten Elektrolyse- zellen, die wiederum aus zwei zentralen Komponenten – den Bipolarplatten (BPP) und der Membran-Elektroden-Einheit (Membrane Electrode Assembly, MEA) bestehen. BPP stellen die elektrische Ver- bindung und den Transport zwischen den Zellen sowie zur und von der MEA sicher, an der die Wasserspaltung stattfindet. Bipolarplatten werden üblicherweise aus speziellen Edelstählen, Graphit, Titan gefertigt und zusätzlich mit einer Edelme- tall-Beschichtung – etwa Gold oder Platin – vor Korrosion geschützt. Das Material und Design der Bipolarplatten ist mitent- scheidend für Wirkungsgrad, Wartungs- anfälligkeit, Funktionalität und Lebens- dauer des Elektrolyseurs. Und all das wiederum ist maßgeblich für die Funk- tion und Rentabilität eines künftigen Off- shore-Elektrolyseurs – weitab vom Land unter extremen Bedingungen. Die Materialfrage steht im Zentrum der Aufgabenbeschreibung von Wolfram Münchgesang vom Fraunhofer IWES. Der promovierte Physiker ist bei H2Wind eine Art Koordinator zwischen dem, was auf Laborebene herausgefunden wird über die Zusammenhänge zwischen Stack-Be- schaffenheit und den speziellen Offshore- Anforderungen, der Entwicklung eines Forschungsstacks auf Testebene sowie der Übertragung der Labor- und Testergebnis- se auf die industrielle Anwendung. Oder wie es Münchgesang ausdrückt: »Ich brin- ge die Informationen zusammen, bünd- le sie und versuche, daraus ein wissen- schaftliches Gesamtbild zu entwickeln.« Auch wenn das Prinzip und die einzel- nen Komponenten eines Elektrolyseurs lange bekannt sind, betritt die Wissen- schaft mit der Entwicklung eines Offshore- 1 | 22 Elektrolyseurs Neuland. Welche Auswir- kungen hat es, wenn die Windkraft ganz direkt die für die Wasserspaltung benö- tigte Energie bereitstellt? Welchen beson- deren Belastungen ist das Material offshore ausgesetzt? Wie werden sich etwa Vibra- tionen oder die mechanische Belastung auswirken auf die Lebensdauer der diver- diese und skalieren sie schließlich für die industrielle Anwendung«, erklärt Münch- gesang pragmatisch. Bis dann spätestens 2025 eine möglichst ideale Vorrichtung existiert, die Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufspaltet. Im Prinzip also so wie vor mehr als 200 Jahren. Nur eben auf dem Meer. Und damit zukunftsweisend. »Wir gestalten funktionierende Konzepte für den Offshore- Betrieb und skalieren sie schließlich für die industrielle Anwendung.« Wolfram Münchgesang, Fraunhofer IWES sen Bestandteile? Werden nach der Ent- salzung des Meerwassers noch Ionen im Wasser sein, die sich im Stack oder anders- wo im Elektrolyseur anreichern und des- sen Funktion beeinträchtigen könnten? Für all diese Fragen gibt es noch keine standardisierten Testprofile, keine gülti- gen Skalen. Und weil auf hoher See nicht mal schnell ein Techniker die Anlage war- ten kann, muss die Materialqualität hoch sein, um der Dynamik eines Offshore- Standorts standzuhalten. Das Rad dabei neu zu erfinden, ist nicht geplant – schon aus Zeit- und Kosten- gründen. »Wir gestalten funktionierende Konzepte für den Offshore-Betrieb, testen 3. Der Speicher Deutsche Offshore-Windparks stehen durchschnittlich 58 Kilometer entfernt von der Küste. Der Strom wird in der Regel über im Meeresboden verlegte Seekabel an Land transportiert. Doch wie lässt sich der künftig offshore produzierte Wasserstoff dorthin bringen, wo er gebraucht wird? Sebastian Schmidt, Projektleiter am Fraunhofer Hydrogen Lab in Görlitz, ent- wickelt für H2Wind gemeinsam mit den Projektpartnern Siemens, Mannesmann und weiteren Fraunhofer-Instituten einen für den Offshore-Einsatz geeigneten Röh- renspeicher und wird daran dann 41

Als Projektleiter ist Henner Heyen nun innerhalb von H2Wind für ein Arbeitspaket zuständig, das sich mit der Wärmeauskopp- lung aus den Elektrolyseuren befasst. Hier könnte eine Lösung für das energetische Problem der Meerwasser-Aufbereitung zu finden sein. »Die bei der Aufspaltung von Wasser entstehende Abwärme hat bislang die Effizienz von Elektrolyseuren gemin- dert«, erklärt Heyen. »Anders sähe es aus, wenn wir diese Energie zumindest teilwei- se abfangen und für die Aufbereitung von Meerwasser einsetzen könnten.« Der Wis- senschaftler denkt dabei bereits über H2Wind hinaus: »Die Lösungen, die wir hier für Offshore-Anlagen entwickeln, könnten eines Tages auch zur Wasseraufbereitung verwendet werden in Regionen, in denen Mangel an Trinkwasser herrscht.« Mit dem bei der Wasserstoff-Produktion entstehenden Sauerstoff hat Heyen bereits ein weiteres »Abfallprodukt« der Elektro- lyse im Blick: »An Land gibt es hierfür be- reits Interessenten, etwa Krankenhäuser oder Kläranlagen. Für die Offshore-Nut- zung suchen wir noch nach sinnvollen Verwendungsmöglichkeiten.« 5. Die Simulation Mit 28 Jahren ist Tom Schwarting der wahrscheinlich dienstjüngste Fraun hofer- Mitarbeitende im Projekt H2Wind. Bis Mitte 2021 hatte der studierte Informati- ons- und Kommunikationstechniker noch seine berufliche Zukunft in der Luft- und Raumfahrttechnik gesehen und in diesem Forschungsfeld auch seinen Master an der TU Braunschweig gemacht. Als wissen- schaftliche Hilfskraft am Institut für Flug- führung war er damals in die Polarexpe- dition MOSAiC involviert, bei dem der Forschungseisbrecher »Polarstern« samt Besatzung ein Jahr lang über das Nord- polarmeer driftete und das dramatische Schmelzen des Meereises dokumentier- te. Schwarting wurde klar, dass er künftig doch lieber auf der Seite der CO2-Einsparer arbeiten wollte als auf der Seite der CO2- Verursacher. Seit April 2021 gehört Tom Schwarting nun zum Team der Zukunftsfabrik des Fraunhofer IWU und dort innerhalb des Projekts H2Wind zu denjenigen, die sich »Die Lösungen, die wir hier für Offshore-Anlagen entwickeln, könnten eines Tages auch zur Wasserauf- bereitung verwendet werden.« Henner Heyen, Fraunhofer IWES 1 | 22 mit der Frage beschäftigen, an welchen Schrauben gedreht werden muss, um die Produktion und Verwendung von grünem Offshore-Wasserstoff sowohl ökologisch als auch ökonomisch voran- zutreiben. Über Simulationsmodelle versucht er, die gesamte Wertschöpfungskette von der Wasserstoff-Elektrolyse auf hoher See möglichst realitätsgetreu abzubilden. In Digitalen Zwillingen werden unterschied- liche Szenarien entwickelt, miteinander verglichen und anschließend bewertet. »Das ist ein bisschen wie ein Kinderspiel, bei dem man Murmeln möglichst effizient hin- und herschiebt«, beschreibt es Tom Schwarting. Wobei es natürlich alles andere als ein Kinderspiel ist. Groß ist nicht nur die Viel- zahl möglicher Einflussfaktoren. Groß ist auch die Herausforderung, die großen Entwicklungen korrekt zu berücksichti- gen: Wie entwickeln sich die unterschied- lichen Formen der erneuerbaren Energie- quellen? Wie werden die Energiepreise im Jahr 2025 aussehen? Welche Rolle wird Wasserstoff als industrieller Rohstoff, als Energiespeicher oder gar als Wärmelie- ferant in der Welt von morgen spielen? »Unsere Simulationen basieren auf be- lastbaren Studien, die Zahlen sind also durchaus fundiert«, erklärt Schwarting. Trotzdem gilt: »Lieber mit Schätzungen arbeiten, als zu spät in die digitale Simu- lation einzusteigen.« Denn sonst drohe die »Henne-Ei-Problematik«: Kein Unter- nehmen entscheidet sich für die Wasser- stoffproduktion, solange Kosten und Nut- zen unklar sind. Doch die finanzielle Seite bleibt unscharf, solange niemand Wasserstoff produziert. Dieser Teufels- kreis soll mithilfe der Simulation durch- brochen werden. »Wasserstoff gilt vielen Menschen der- zeit per se als Heilsbringer. Er wird uns aber nur dann retten, wenn wir zuvor genügend grünen Strom für die Wasser- stoff-Produktion herstellen«, warnt Schwarting. »Doch mit jedem aufgestell- ten Windrad kommen wir dem Ziel ein Stück näher.« 43

V or uns liegt ein großes Ziel: ein klimaneutrales Deutschland bis zum Jahr 2045. Dieses Ziel ist hochambitioniert, aber machbar. Um die Energiewende realisieren zu können, ist die Nutzung von erneuerbaren und de- karbonisierten Gasen unverzichtbar. Insbe- sondere Wasserstoff bietet hier erhebliches Potenzial. Denn Wasserstoff kann Energie speichern und wieder freigeben, ohne dabei CO2 auszustoßen. Insbesondere die vielfäl- tigen Einsatzmöglichkeiten – ob zur klima- freundlichen Wärme- und Stromproduktion in der Industrie, in privaten Haushalten oder für umweltfreundliche Mobilität – machen Wasserstoff zu einem echten Multitalent. Vorhandenes als Chance Ein großer Vorteil von Wasserstoff und damit ein wichtiger Baustein für das Erreichen der Energiewende, ist die Fähigkeit, dass Wasser- stoff Strom über lange Zeiträume hinweg ohne Verluste speichern kann. Durch den Einsatz von Wasserstoff kann Energie somit trans- portiert und zu einem späteren Zeitpunkt wieder freigegeben werden, ohne dabei CO2 auszustoßen. Um dieses Potenzial voll aus- zuschöpfen, sollten wir dringend die vorhan- denen Infrastrukturen nutzen: Deutschland verfügt nämlich über die größten Gasspei- cherkapazitäten in der Europäischen Union. Diese vorhandenen Speicherkapazitäten für Erdgas könnten zum Teil künftig auch für klimaneutrale Gase genutzt werden und so- mit einen wichtigen Beitrag für eine flexible Energiewende leisten. So ließen sich in soge- nannten Untergrund-Kavernenspeichern, die fast zwei Drittel des Volumens der deutschen Gasspeicher ausmachen, bis zu 100 Prozent Wasserstoff speichern. Dadurch könnte in Zukunft Strom aus Wind- und Solarenergie in Form von Wasserstoff gespeichert werden, um beispielsweise saisonale Schwankungen in der Stromerzeugung oder im Wärmebedarf auszugleichen. Zudem besitzt Deutschland eine vorhan- dene Gasinfrastruktur mit einem Netz von rund 500 000 Kilometern Länge. Diese Infra- struktur ist die Basis für den Aufbau einer Wasserstoffwirtschaft über Sektoren und Län- dergrenzen hinweg. Insbesondere den Ver- teilernetzen kommt hier eine hohe Bedeutung zu. Nun gilt es, Netze, Speicher und Endgerä- te zu ertüchtigen und wasserstoffkompatibel »Wasserstoff ist zentraler Baustein für ein klimaneutrales Deutschland. Deswegen ist es jetzt umso wichtiger, dass die Bundesregierung ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie zeitnah Taten folgen lässt.« Kerstin Andreae ist seit dem 1. November 2019 Vorsitzende der Hauptgeschäftsführung des Bundesverbandes der Energie- und Wasserwirt- schaft. Die 53-Jährige ist auch Mitglied des Präsidi- ums. Der BDEW vertritt die Interessen von mehr als 1900 Unternehmen, dar- unter die großen Energie- versorger RWE, E.ON., EnBW und Vattenfall. 2002 zog Andreae über die Landesliste Baden-Würt- temberg für Bündnis 90/ Die Grünen als Abgeordne- te in den Bundestag ein. Bis 2007 war sie Mitglied im Finanzausschuss, bis 2012 wirtschaftspolitische Sprecherin der Grünen. Bis 2018 war sie eine der fünf stellvertretenden Vorsit- zenden der Bundestags- fraktion. Vor dem Wechsel zum BDEW legte sie ihr Bundestagsmandat nieder. Geboren ist Kerstin Andreae in Schramberg, Schwarz- wald. Sie studierte in Freiburg. Die Diplom-Volks- wirtin ist verheiratet und hat zwei Kinder. 1 | 22 zu machen. Wir als BDEW plädieren dafür, den bewährten Regulierungsrahmen für das Gasnetz zu nutzen und Wasserstoffnetze dort zu integrieren. Zusätzlich zu den Gasnetzen werden auch reine Wasserstoff-Netze notwen- dig sein, zum Beispiel für die Industrie. Die ersten regulatorischen Grundlagen dafür wur- den mit der letzten Novellierung des Energie- wirtschaftsgesetzes geschaffen. Wir brauchen zudem ein Handelssystem für erneuerbare und dekarbonisierte Gase wie etwa Wasserstoff. Der BDEW hat hier einen konkreten Vorschlag vorgelegt. Ein wichtiges Element ist aus Sicht des BDEW ein standar- disiertes System für Herkunftsnachweise, über welches Endverbraucher, Industrie und Ge- werbe eindeutig nachvollziehen können, aus welchen Quellen das erneuerbare und dekar- bonisierte Gas stammt. Die Verbraucher kön- nen damit auf transparente Weise auswählen, welche Form solcher Gase sie beziehen wollen (sogenannte »clean choices«). Zunächst wäre der Markt im europäischen Raum und per- spektivisch auch durch außereuropäische Lie- ferländer organisiert. Hemmnisse für Investitionen müssen jetzt beseitigt werden! Damit das große Potenzial von Wasserstoff für den Klimaschutz voll ausgeschöpft wer- den kann, sollte dieser klimaneutral und zu- nehmend erneuerbar produziert werden. Hier nimmt die Energiewirtschaft eine zentrale Rolle ein: Sie liefert den grünen Strom, mit dem künftig ein wesentlicher Anteil des benö- tigten Wasserstoffs hergestellt werden kann. Dieser grüne Wasserstoff kann einen erheb- lichen Beitrag dazu leisten, den CO2-Ausstoß maßgeblich zu reduzieren. Um dies zu ermög- lichen, ist der weitere Ausbau der erneuerba- ren Energien von zentraler Bedeutung. Dazu müssen die noch bestehenden Hemmnisse für Investitionen beseitigt, sowie Hindernisse für Wind und Photovoltaik überwunden werden. Denn Hindernisse für den Ausbau der Erneu- erbaren sind immer auch Hindernisse für die Erzeugung erneuerbarer Gase. Wasserstoff ist ein Hoffnungsträger für eine CO2-neutrale Energieerzeugung und somit ein zentraler Baustein für ein klimaneutrales Deutschland bis zum Jahr 2045. Deswegen ist es jetzt um- so wichtiger, dass die Bundesregierung ihrer Nationalen Wasserstoffstrategie zeitnah Taten folgen lässt. 45 . W E D B / e d k e h t o t o h p / l e h c s t u r T s a m o h T : o t o F

»Wir tragen dazu bei, den Kohlen­ dioxid­Gehalt in der Atmosphäre zu verringern und stellen aus den Pflanzen­ resten grünen Wasserstoff her.« Johannes Full, Fraunhofer IPA ßend kann die fermentierte Masse in einer herkömmlichen Biogasanlage zu Methan vergoren werden, welches wiederum ebenfalls zu Wasserstoff und CO2 umgewandelt wird. Holz und Papierfasern hingegen lassen sich nur schlecht vergären. Sie werden in einem Holzvergaser in CO2 und Wasserstoff aufgespalten. Besonders fleißig produzieren Pur- purbakterien aus Frucht- und Molke- reiabfällen Wasserstoff. Forschern an der Un iver s it ät Stuttgart ist es ge- lungen, das Bakte- rium so zu verän- dern, dass es kaum mehr Licht benötigt, was die Wasserstoff- Produktion energie- sparend macht. Zu- sammen mit dem Fraunhofer IPA un- tersuchen sie, wie sich die Herstellung von Wasserstoff mit dem Purpurbakte- rium künftig in grö- ßerem M a ßs t ab wirtschaftlich be- treiben lässt. Im Projekt H2Wood ar- beitet das Fraun- hofer IPA-Team zu- dem daran, wie sich Holzabfälle aus dem Schwarzwald mi- krobiell in Wasserstoff und andere wertvolle Moleküle für die chemische Industrie zerlegen lassen. Gleichzeitig soll die Wasserstoffausbeute durch eine ausgeklügelte Steuerung erhöht werden. Problemlöser für die Städte Auch aus städtischem Bioabfall und Klärschlamm lassen sich mithilfe ei- ner Pyrolyse-Anlage Wasserstoff oder wertvolle Gasgemische gewinnen, die für den Betrieb von Blockheizkraft- werken oder den städtischen Fuhr- park genutzt werden könnten. Das Fraunhofer-Institut für System- und t n a h c s a B a n G i : o t o F 1 | 22 Innovationsforschung ISI in Karlsruhe untersuchte im Auftrag des Anlagenher- stellers BHYO, wann es sich für die Städte rechnet, eine solche Anlage anzuschaffen. Klärschlamm darf seit einigen Jahren we- gen der Schadstoffbelastung nicht mehr auf Äcker ausgebracht werden. Manche Kommunen müssen ihn für viel Geld ent- sorgen, für bis zu 150 Euro pro Tonne. Ver- wandelte man den Klärschlamm künftig in Wasserstoff, würde er zu einem wert- vollen Gut. Eine Tonne Bioabfall liefert rund 100 Kilogramm Wasserstoff. Das Ergebnis der Unter s uc hu ng der Fraunhofer ISI-For- scher: Die Anlage rech- net sich bereits für mit- telgroße Städte. Dabei besteht eine besondere Stärke der BHYO-An- lage darin, dass sie je nach Fahrweise eher Wasserstoff oder ein Gasgemisch liefert. Im Winter würde sie eher das Gasgemisch produ- zieren, um Blockheiz- kraftwerke (BHKW) zu versorgen. Im Sommer würde sie eher Wasser- stoff bereitstellen, mit dem dann die städti- schen Fahrzeuge be- tankt werden. Dank dieses Doppelnutzens lohne sich eine solche Anlage sehr schnell, sagt Martin Pudlik, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ISI und Pro- fessor an der FH Bingen. Sie ließe sich als Modul nach Belieben direkt an BHKWs oder auch an Kläranlagen installieren, um den Klärschlamm direkt vor Ort zu nut- zen. Städte könnten so recht einfach von fossilen Energieträgern wie Erdgas, Heiz- öl oder Diesel auf nachwachsende Rohstof- fe umsteigen. Dieses pragmatische Konzept scheint anzukommen. »Wir haben die An- lage erst auf einigen wenigen Konferenzen in der Region vorgestellt, aber die Kom- munen rennen BHYO und uns schon jetzt die Türen ein«, sagt Pudliks Kollege Bern- hard Seyfang von der FH Bingen. 47

1 | 22 Z uc ker? Da s k l i ng t nac h Schlemmereien und Genuss, aber auch nach Hüftgold und Karies. Einen ganz anderen Blick darauf hat Dr. Ruben R. Rosen- crantz. Der Leiter der Abteilung für Bio- funktionalisierte Materialien und Glyko- Biotechnologie am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP im Potsdam Science Park findet Zucker schlichtweg faszinierend. »Körpereigene Zucker bilden den Stoff, der die Gelenke oder auch das Auge ge- schmeidig hält. Sie kleiden die Luftröhre und die Lunge aus, damit keine Keime ein- dringen können.« Über drei Jahre hat Ro- sencrantz ein Projekt koordiniert, um ei- ne Kontaktlinse mit Zuckerbeschichtung zu entwickeln – zur Therapie von Augen- erkrankungen. Um ein gereiztes oder entzündetes Au- ge zu behandeln, werden üblicherweise Augentropfen gegeben. Die Tränenflüssig- keit spült das Medikament allerdings so schnell wieder aus, dass nur etwa fünf Prozent des Wirkstoffs an der schmerzen- den oder entzündeten Stelle ankommen. Dadurch dauern Behandlungen häufig sehr lange. Mit seinem deutsch-israeli- schen Forschungsteam hat Rosencrantz deshalb eine alternative Methode entwi- ckelt, um Arzneimittel besser im Auge zu applizieren: therapeutische Kontaktlinsen. Die Wirkstoffe werden chemisch an die Oberfläche der Linse gebunden und nach und nach freigesetzt. Dadurch wird das Auge kontinuierlich mit dem Medikament versorgt. Zucker macht die Linsen gleitfähig s e g a m i s u i t i r u a m / e e L y n o h t n A : s o t o F Rosencrantz ist Experte für Zuckermo- leküle – und die spielen bei den thera- peutischen Kontaktlinsen die zentrale Rolle. Gemeinsam mit Forscherinnen und Forschern des Weizmann Institute of Science in Israel kam Rosencrantz auf die Idee, die therapeutischen Kontaktlin- sen mit Zuckermolekülen zu beschichten, um darin Wirkstoffe einzubetten und die Linsen zugleich besonders gleitfähig zu machen, damit sie das gereizte Auge nicht zusätzlich belasten. Als Wirkstoff-Träger wählte das Team Liposomen, winzige Mikrobläschen, die aus einer fetthaltigen Hülle bestehen und Flüssigkeiten in sich einschließen können. Liposomen werden schon seit vielen Jahren für den Transport von Wirkstoffen eingesetzt – zuletzt auch, um mRNA-Impfstoffe gegen das Corona- virus oder andere Erreger in den Körper zu bringen. Dem deutsch-israelischen Team ist es gelungen, geeignete Zuckermoleküle zu finden, sogenannte Glykopolymere, die die Liposomen sehr gut binden können. Die Herausforderung: Die Bindung muss stark genug sein, damit die Liposomen si- cher in der Kontaktlinsen-Beschichtung haften; aber schwach genug, damit sie sich nach und nach von der Linse lösen und im Auge verteilen. Mit zum Forschungsteam gehörte die Berliner Firma Surflay Nanotec, die unter anderem darauf spezialisiert ist, Molekü- le auf Oberflächen aufzubringen. Die Ber- liner trugen die Glykopolymere Schicht für Schicht auf die Kontaktlinsen auf und betteten zugleich die Liposomen in diese Matrix ein. Unterstützt wurde die Projekt- gruppe von der israelischen Firma EyeYon Medical. Das Unternehmen stellt indivi- duell angepasste Kontaktlinsen her. Dar- über hinaus hatte EyeYon Medical schon seit längerer Zeit Kontaktlinsen für die Gabe von Medikamenten im Programm. Diese Kontaktlinsen sind mit kleinen Löchern versehen, in denen die Flüssig- keit eine Weile haftet. »Bislang lag die Verweilzeit des Wirkstoffs dank der Kon- taktlinse bei rund 20 Minuten«, sagt Ro- sencrantz. »Das ist länger, als wenn man die Flüssigkeit direkt ins Auge tropft. Wir wollten aber noch deutlich darüber hin- ausgehen.« Das ist gelungen. In ersten Versuchen zeigte sich, dass die mit Glykopolymeren beschichteten Kontaktlinsen Wirkstoffe über mehrere Stunden abgeben können. »Wir haben jetzt alle Elemente zusam- men, die wir für ein künftiges Produkt brauchen – die Kontaktlinsen, die Glyko- polymere und die Liposomen«, resümiert Rosencrantz. Mittlerweile ist das Projekt beendet. Für das Team aber geht die Arbeit weiter. Zusammen mit der Universitäts- klinik Rostock werden jetzt biologische Untersuchungen durchgeführt. Da es sich bei den therapeutischen Kontaktlinsen um ein künftiges Medizinprodukt handelt, müssen sie für die Zulassung die obliga- torischen klinischen Studien durchlaufen. Aktuell wird geprüft, wie gut sich die Lin- sen auf Dauer mit dem Gewebe im Auge vertragen. »Da wir mit den Glykopolyme- ren eine sehr natürliche Substanz für die Beschichtung gewählt haben, dürften kei- ne Komplikationen auftreten«, erwartet Rosencrantz. Zucker ist wichtig für die Kommunikation Das Potenzial der Glykopolymere ist vielversprechend. Zellen in Gewebever- bänden erkennen einander anhand der Zuckermoleküle auf ihrer Oberfläche. Damit übernehmen die Moleküle eine wichtige Rolle in der Zell-Kommunika- tion. Bei Krebszellen verändert sich diese Zuckerstruktur, die Zellen gleiten aus dem Zellverband heraus und metastasieren im Körper. So kann die Erforschung der Zuckerstrukturen zur Entwicklung von Krebsmedikamenten beitragen. Die Tatsache, dass Krankheitserreger und Keime sehr leicht an Glykopolymeren kleben bleiben, hat sich die Fraunhofer IAP-Gruppe um Rosencrantz bereits zu- nutze gemacht: Das Team umhüllt kleine Partikel mit Glykopolymeren, die künftig beispielsweise als Spray verabreicht wer- den könnten, um Keime aus den Atem- wegen zu entfernen. Weil sich die Keime leicht an Glykopolymere binden, könnten die Partikel diese regelrecht aus dem Lun- gengewebe herausziehen. Mit dem Schleim, den man beim Räuspern abhustet, würden die beladenen Partikel dann wieder aus dem Atemtrakt entfernt. Rosencrantz denkt aber nicht nur an den medizinischen Bereich. Im wahrsten Sinne hat er auch den Massenmarkt im Auge: »Viele Kontaktlinsenträger klagen über Augenreizungen«, sagt der Forscher, »eine Zuckerbeschichtung könnte für sie den Tragekomfort ganz erheblich erhöhen.« 49

1 | 22 Anhand dieser Modellierung entwickelt das Team Betriebsstrategien, die je nach Betreiberwunsch ver- schiedene Ziele abbilden – etwa möglichst geringe CO2-Emissionen oder einen hohen Grad an Autarkie. Auch die Entwicklung von Geschäftsmodellen steht auf der Agenda des Fraunhofer UMSICHT. Die Ergeb- nisse aus der mathematischen Modellierung fließen zudem in ein Monitoringsystem sowie in die Echt- zeitsteuerung der Anlagen ein. Zwar ist der erste Spatenstich kaum getan, doch gilt das neue Großterminal schon jetzt weltweit als Testfeld und Modell für klimaneutrale Binnenhäfen. »Das Containerterminal ist eine Keimzelle, an der zahlreiche andere Projekte andocken sollen – etwa die Versorgung der umliegenden Quartiere oder an- derer Terminals mit Energie und Wärme, die Wasser- stofferzeugung auf dem Hafengelände oder auch eine Wasserstofftankstelle am Hafen«, sagt Grevé. Ein Bei- spiel für ein solches Satellitenprojekt ist eine wasser- stoffbasierte Rangierlok. Bisher sind alle Rangierloks dieselbetrieben, schließlich gelten in Hafenumgebun- gen Oberleitungen für eine Elektrifizierung als Stör- faktor. Das klimaneutrale Terminal wird also zum Ankerpunkt und zur Keimzelle für den Transforma- tionsprozess des gesamten Duisburger Hafens. Und mehr als das: Der Ansatz soll anderen Binnenhäfen als Beispiel dienen. Die Strahlkraft reicht also weit über den Duisburger Hafen hinaus. Der Strom­ bedarf entspricht 1000 Einfamilien­ häusern. 240 000 Quadratmeter groß: Diese Visualisierung gibt einen Eindruck von der Dimension des Duisburg Gateway Terminal. 51

1 | 22 60 % des Brückenbestands der Bundesfernstraßen sind zwischen 35 und 60 Jahre alt. Mehr als 200 000 Tonnen Achslast täglich müssen einzelne Autobahn abschnitte verkraften. 30 % aller Autobahnbrücken erhielten 2021 eine Zustandsbewertung von ausreichend oder schlechter. a p d / l e k r o F t s u g u A : o t o F Mindestens 400 statt 200 Brücken will die Autobahn GmbH ab diesem Jahr jährlich erneuern. 53

1 | 22 60 Talbrücken müssen allein auf der sogenannten Sauer- landlinie an der A45 erneuert werden, weil sie in die Jahre gekommen sind. Dazu gehören die 55 Jahre alte Rinsdorf- Talbrücke im Sieger- land und die 53 Jahre alte Rahmede-Tal- brücke bei Lüden- scheid. — Weitere Infos: https://s.fhg.de/izfp 55 Am 6. Februar fiel die marode, 500 Meter lange und 70 Meter hohe Rinsdorf-Talbrücke an der A45 exakt geplant in sich zusammen – Zentimeterarbeit. Direkt daneben stand schon das erste Teilstück des Neubaus, das auf keinen Fall beschädigt werden durfte. erfassung erlauben. Das Auslesen der Daten vor Ort kann dann drahtlos per Handy erfolgen oder durch einen automatisierten Transfer in die Cloud. Eine erste Teilkomponente ist bereits entwickelt und wird zurzeit getestet. Auch Carsten Chassard von der Autobahn GmbH des Bundes, die seit Anfang 2021 für Pla- nung, Bau und Betrieb der Brücken zuständig ist, wür- de ein Sensorsystem als wei- teres Werkzeug der Bau- werksüberwachung und nachhaltigen Erhaltung be- grüßen. Der Bauingenieur, der die Außenstelle Neun- kirchen bei Saarbrücken lei- tet, ist für ein 334 Kilometer langes Autobahnstrecken- netz mit 527 Brücken verant- wortlich. Auch er klagt über korrodierten Betonstahl und Risse im Betongefüge. Mit einer kontinuierlichen Über- wachung, so hofft er, könnten Maßnahmen früher und zielgerichteter ergriffen werden. »Das Mess- programm muss aber immer an die spezielle Brü- cke und deren statische Besonderheiten angepasst sein.« Dabei ist es wichtig, die Erkenntnisse aus den Bauwerksprüfungen, bereits identifizierte Schäden und charakteristische Schwachstellen verschie- dener Brückentypen zu berücksichtigen. Gemes- sen werden müssen auch grundlegende Werte wie die Einwirkungen des Verkehrs oder die Luft- und die Bauwerkstemperatur. Nur so lassen sich die Daten einordnen und korrekt interpretieren. Die Sensoren sollten vor allem an den Stel- len mit maximaler Beanspru- chung angebracht werden, die für jede Brücke individuell ermittelt werden müssen. »Wir haben in Deutschland keine Baukasten-Standard- brücken. Wenn der Sensor ir- gendwo sitzt, wo nichts pas- siert, bringt das nichts«, warnt Krieger. Ein permanentes Mo- nitoring aller Sorgenkinder sei jedoch illusorisch. Statt- dessen müsse man repräsen- tative Objekte auswählen und die Erkenntnisse auf ähnliche Brücken oder Bauteile übertragen – um Sperrungen wie in Lüdenscheid und die damit einhergehenden volkswirtschaftlichen Schäden in Millionenhöhe zu vermeiden. »Alte Brücken und aktueller Verkehr passen nicht zusammen.« DirProf. Jürgen Krieger, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) k r e w r e d l i b s a d / r e s u ä h l l e B e w U , s e g a m I - r e v o C / s e g a m i o g a m i © : s o t o F

1 | 22 Z wei Fachleute, eine Entwick- lung, zwei Sichtweisen: »In den kommenden, spätestens fünf bis zehn Jahren wird es im B2B-Bereich kein Geschäft mehr ohne den Einsatz von Blockchain-Technologie geben.« Es klingt fast schon euphorisch, wenn sich Prof. Michael Henke so ein- deutig festlegt. »Früher ist viel zu viel versprochen worden, heute denken wir bei der praktischen Umsetzung von Block- chain sehr viel eher an das Naheliegende, low hanging fruits«, sagt hingegen Prof. Wolfgang Prinz. So ließe sich mithilfe von Blockchain beispielsweise die Herkunft von Medikamenten oder Lebensmitteln sicher nachweisen und überprüfen, ob die Kühlung während des gesamten Trans- ports gewährleistet war. Prof. Henke leitet das Fraunhofer-In- stitut für Materialfluss und Logistik IML in Dortmund, Prof. Prinz ist stellvertre- tender Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT in Birlinghoven, Nordrhein-Westfalen. Beide Institute arbeiten schon seit vielen Jahren auf diesem Gebiet eng zusammen. Blockchain hat eine bewegte Vergan- genheit hinter sich. Das Konzept eines de- zentralen Systems, um Daten in Blöcke zu zerlegen, sie zu verketten und damit kryptografisch zu verschlüsseln, wurde 2008 erstmals öffentlich beschrieben – unter dem Pseudonym Satoshi Nakamo- to. Bis heute ist unklar, ob sich dahinter eine Person oder eine Personengruppe verbirgt. Klar allerdings ist: Es begann ein Hype um Blockchains, um Bitcoins, um Smart Contracts. Seit 2015 beschäftigen sich das Fraunhofer IML und FIT mit dem Thema. 2017 erschien ein erstes Fraun- hofer-Positionspapier, das sich den For- schungsfragen und potenziellen Anwen- dungsmöglichkeiten der Technologie widmete. T I F r e f o h n u a r F , L M I r e f o h n u a r F , a p d / i n i r a b m a G o c i r e d e F : s o t o F Zu einer Fraunhofer-Säule der Block- chain-Strategie in Nordrhein-Westfalen hat sich das Blockchain-Reallabor in Hürth bei Köln entwickelt. Das Filmstudio, in dem einst Hans Meiser und Ilona Christen zu Talkshows einluden, wird zu einer Blockchain-Welt umgebaut. »Die Idee ist: Interessenten kommen zu uns und infor- mieren sich über Blockchain. Wir zeigen ihnen anhand verschiedener Demonstra- toren Einsatz und Nutzen der Technologie«, fahrer erhalten digitale Zertifikate, die zum Beispiel auf einem mobilen Gerät per Scan eines QR-Codes geprüft werden können. So wird nicht nur fälschungssicher hinter- legt, dass der Tank gereinigt, sondern auch, dass die Reinigung überprüft wurde.« Beispiele wie diese zeigt das Team um Wolfgang Prinz im Reallabor und erklärt Interessierten anhand von Demonstrato- ren, wie die Speicherung von Daten auf einer Blockchain erfolgt. Hier lässt sich zu- Prof. Michael Henke, Leiter des Fraunhofer IML Prof. Wolfgang Prinz, stellvertretender Leiter des Fraunhofer FIT erklärt Wolfgang Prinz, Leiter des Real- labors. »Der Besucherausweis liegt selbst- verständlich auch auf einer Blockchain.« Das Projekt wird mit fünf Millionen Euro vom Land Nordrhein-Westfalen gefördert, soll den Strukturwandel im rheinischen Revier nach dem Abschied von der Braun- kohle vorantreiben – und ist längst in der Anwendung angekommen. Die Reallabor- Experten machen Unternehmen aus der Region mit der Technologie vertraut, zeigen ihnen mögliche Anwendungen und ent- wickeln gemeinsam mit ihnen Ideen für neue digitale Dienste. Mit einem Logistik- dienstleister vor Ort, der sich auf den Trans- port von Chemikalien spezialisiert, wurden bereits erste Use Cases prototypisch um- gesetzt. Für die Tankfahrzeuge des Unter- nehmens müssen aus Sicherheitsgründen die Reinigungen sorgfältig dokumentiert werden. Dem Geschäftsführer erschien die Dokumentation nur über ein Papierdoku- ment zu unzuverlässig. »Wir sind dann schnell zu einer Blockchain-Lösung ge- kommen«, sagt Prinz. »Die Tankwagen- künftig jeder Schritt eines Prozesses mit allen dazugehörigen Daten und Dokumen- ten sicher und irreversibel festhalten – ide- al für zahlreiche Anwendungen wie fäl- schungssichere Herkunftsnachweise, die unternehmensinterne Dokumentation oder den internationalen Warenhandel. »Es muss nicht jeder zu einhundert Prozent verste- hen, wie Blockchain funktioniert«, sagt Prinz und ergänzt: »Es weiß ja auch kaum jemand, wie das Getriebe eines Autos funk- tioniert – und trotzdem nutzen es alle.« Während das Schaltgetriebe durch die Elektromobilität in den kommenden Jah- ren an Bedeutung verlieren wird, sind sich Henke und Prinz sicher, dass der Blockchain die Zukunft gehört – vor allem bei Trans- aktionsgeschäften. Henke nennt als Bei- spiele den elektronischen Frachtbrief und Zolldokumente: »Eine digitale Blockchain- basierte Mappe ersetzt Papierdokumente. Das macht zum Beispiel die Zollgeschäfte nicht nur sicherer und transparenter, son- dern durch die Einsparung von Papier auch nachhaltiger.« 57

1 | 22 Immunsystem zerstörten Zellen freigesetzt wurden und dann für kurze Zeit in der Blutbahn zirkulieren. Zellfreie DNA lässt sich aus dem Blut isolieren und mit han- delsüblichen Hochdurchsatztechniken über Nacht sequenzieren. »In einer Blutprobe analysieren wir bis zu 30 Millionen unter- schiedliche DNA-Fragmente. Jedes einzel- ne vergleichen wir bioinformatisch mit bekannten Sequenzen aus öffentlich zu- gänglichen Datenbanken«, erklärt Kai Sohn. Dabei zeigt sich, dass 95 bis 99 Pro- zent der cfDNA vom Patienten selbst stam- men. Die übrigen ein bis fünf Prozent sind nichtmenschlichen Ursprungs – und müs- sen also von einem oder mehreren Keimen stammen. »Auch diese Fragmente verglei- chen wir Stück für Stück mit Referenzge- nomen aus den Datenbanken«, so der For- scher. »Am Ende können wir dann sagen, mit welchen Mikroorganismen wir es zu tun haben. Und wir wissen außerdem, in welchen Mengen sie vorkommen. Daraus können wir ableiten, wie relevant sie für die Infektion und die Sepsis sind – und mit welchen Medikamenten sie sich am besten bekämpfen lassen.« Zusatzvorteil bei diesem Ansatz: Die Zahl der cfDNA-Fragmente im Blut ist meist um ein Vielfaches höher als die Zahl in- takter Mikroben, die für die Anzucht im Brutschrank gebraucht werden. Hinzu kommt, dass sich auch geringste Mengen von Nukleinsäuren problemlos vervielfa- chen lassen. Entsprechend gut stehen die Chancen, die Verursacher einer Sepsis mit einer vielfach höheren Zuverlässigkeit zu identifizieren. Dass die Methode funktio- niert, konnte Kai Sohn an über 250 Blut- proben von 48 Patientinnen und Patien- ten der Uniklinik Heidelberg überprüfen – und bestätigen: Mithilfe der Standard- diagnostik ließen sich nur bei 29 Proben im Blut bestimmte Bakterien identifizie- ren. Dagegen konnte das Fraunhofer-Team bei 169 Blutproben die relevanten Erreger mittels cfDNA zuordnen. »Damit hat unser Ansatz eine mindestens fünffach höhere Sensitivität als die herkömmliche Metho- de und ist grundsätzlich schneller«, so das Fazit des Biologen. Alle an der Studie beteiligten Patienten waren gemäß guter medizinischer Praxis schnellstmöglich mit Breitbandantibioti- ka behandelt worden. Mehr als die Hälfte von ihnen hätte jedoch spezifischere und somit wirkungsvollere Medikamente er- halten können, wenn die auf cfDNA be- ruhende Diagnose zugrundgelegt worden wäre. Derzeit wird der Methodenvergleich bei weiteren 500 an Sepsis erkrankten und 50 gesunden Testpersonen an 20 deutschen Universitätskliniken durchgeführt. Die aufwendige multizentrische Studie wird von der Dietmar Hopp Stiftung gefördert, ebenso wie ein Forschungsprojekt an den Unikliniken Essen und Heidelberg. »Dort wollen wir unsere verbesserte Diagnostik Kai Sohn: »Wir bilden den kompletten Pro- zess ab. Von der Probenahme und Aufbe- reitung bis zur Analyse und Interpreta- tion der betrachteten Nukleinsäuren kommt alles aus einer Hand und ermög- licht höchste Effizienz und Schnelligkeit.« Sepsis-Diagnostik ist nur einer von vielen Bereichen, in denen die schnelle und prä- zise Bestimmung von Nukleinsäuren ge- fragt ist. Unbekannte Keime befallen ver- schiedenste Gewebe und Organe; ihre DNA zirkuliert nicht nur im Blut, sondern in weiteren Körperflüssigkeiten, etwa in Ge- lenken oder im Gehirn. Den Wettlauf mit der Zeit verliert jeder vierte Erkrankte. an schwer erkrankten Neugeborenen, Früh- geborenen und Kleinkindern überprüfen. Denn die Sepsis betrifft neben alten Men- schen vor allem die ganz jungen«, erläutert Kai Sohn. Weiterhin soll in Zukunft die Sequenzierung mittels sogenannter Nano- poren erfolgen, mit der sich DNA-Molekü- le beliebiger Länge in Echtzeit analysieren lassen. Zwar arbeiten konventionelle Hoch- durchsatzsequenzer schon heute in nur 16 Stunden die gesamte cfDNA einer Pro- be auf; inklusive der anschließenden Da- tenauswertung lässt sich daraus binnen 24 Stunden eine Diagnose ableiten. »Aber auch hier gibt es Verbesserungspotenzial für die Behandlung einer Sepsis«, betont Kai Sohn. Sein Ziel: »Mit der Nanoporen- Technik wollen wir das in sechs bis acht Stunden schaffen, also innerhalb einer Krankenhausschicht.« Schon heute verfügen neben vielen Forschungslaboren auch etliche Univer- sitätskliniken über leistungsfähige Hoch- durchsatzsequenzierer. Entscheidend ist das Wissen, welche Probe in welcher Wei- se vorbereitet werden muss, um aus den Massen von Sequenzdaten die Informa- tionen herauszufiltern, die für eine medi- zinische Diagnose relevant sind. »Genau hier liegen unserer Kompetenzen«, betont Auch bei Krankheiten, die nicht von kör- perfremden Erregern ausgehen, leisten DNA-Analysen gute Dienste. Kai Sohn nennt als Beispiel die Tumordiagnostik: »Bei Patienten mit schmerzhaft verän- derter Bauchspeicheldrüse stellt sich die Frage: Ist das ein Pankreaskarzinom oder nur eine Entzündung? Letztere lässt sich mit Medikamenten behandeln. Ein Tu- mor muss dagegen so früh wie möglich komplett entfernt werden, sonst sind die Überlebenschancen gering.« Derzeit bringt nur eine Gewebeprobe des Patienten Auf- schluss, doch dazu braucht es eine Biopsie. Künftig ließe sich dieser unangenehme und womöglich riskante chirurgische Eingriff durch eine Blutanalyse ersetzen, glaubt Sohn. In Kooperation mit dem Universitäts- klinikum Erlangen und einer Schweizer Bioinformatik-Firma sucht das Fraunho- fer IGB-Team nach geeigneten Biomarkern. »Wir isolieren die cfDNA von Pankreas- Patienten und sehen uns an, welche Ab- schnitte chemisch verändert sind. Diese epigenetischen Signaturen sagen uns, ob ein Gen aktiv oder abgeschaltet ist. Wenn sich ein Tumor entwickelt, dann sind be- stimmte Gene stillgelegt; bei einer Ent- zündung sind andere Gene in ihrer Akti- vität verändert. Durch Vergleiche mit Gesunden identifizieren wir Signaturen, die eine eindeutige Diagnose erlauben. Und wir haben schon einige vielversprechende Kandidaten«, erklärt Sohn. Seine Vision: »Wenn ein Pankreaspatient in die Klinik kommt, wollen wir ihm sofort sagen kön- nen, woran er ist. Ein Test, der schnelle und eindeutige Ergebnisse liefert, kann sein Leben retten.« 59 e n i l n O 1 F / s e k o o r B w e r d n A / e c r u o S : o t o F

1 | 22 1. Preis: Dr. Markus Feifel, Fraunhofer ISE Solarstrom auf kleiner Fläche »Hocheffiziente III-V-Mehrfachsolarzellen auf Silicium« Dr. Markus Feifel leistet einen aktiven Beitrag zur Energiewende. »Es ist sehr befriedigend, an etwas zu forschen, das in naher Zukunft einen signifikanten Mehrwert für die Menschheit haben kann«, sagt der junge Physiker. Dr. Markus Feifel I n seiner Dissertation zum The- ma »Hocheffiziente III-V-Mehr- fachsolarzellen auf Silicium« am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE gelang Feifel die Entwicklung einer komplexen und sehr leistungsfähigen III-V-auf Silicium- Solarzellenstruktur, die bereits mehrere Wirkungsgradrekorde aufstellen konnte. Für die Ergebnisse seiner Forschung wurde er mit dem ersten Platz des Hugo- Geiger-Preises 2021 ausgezeichnet. »Die Auszeichnung ist die schönste Form der Anerkennung für die Arbeit, Zeit und auch die Nerven, die über mehrere Jahre in die Arbeit geflossen sind«, freut sich Feifel. Das Smartphone piepst, die Server summen, und in den Fabriken rattern die Maschinen. Ohne Strom würde die mo- derne Welt zusammenbrechen. Doch Ener- gie hat ihren Preis – und das nicht nur in ökonomischer Hinsicht. Der Energiesektor verursacht noch immer einen Großteil der weltweiten CO2-Emissionen. Der Ausbau der erneuerbaren Energien ist politisch mehr gewollt und stärker benötigt denn je. »Erneuerbare Energien lösen uns von Abhängigkeiten. Erneuerbare Energien sind deshalb Freiheitsenergien«, sagte FDP- Bundesfinanzminister Christian Lindner am 27. Februar 2022 bei einer Sondersit- zung des Bundestags zum Krieg in der Uk- raine. Doch der Mangel an geeigneten Standorten und die ausgereizten Wirkungs- grade bestehender Technologien begrenzen die Möglichkeiten. Diesem Problem wid- mete sich Dr. Markus Feifel durch die Ent- wicklung einer neuartigen Solarzelle. »In herkömmlichen Silicium-Solarzellen wird nur ein Absorber-Material verwendet, um das Sonnenlicht in elektrische Leistung umzuwandeln«, erklärt Feifel. Silicium ist das zweithäufigste Element in der Erdhül- le. Der Markt dafür ist ausgebaut. Doch in der Produktion erreichen Silicium-Zellen momentan nur einen Wirkungsgrad von bis zu 24 Prozent. »Das Ziel ist, mit einem vergleichbaren Kosteneinsatz deutlich mehr Strom auf derselben Fläche zu pro- duzieren und auch kleine, momentan nicht rentable Flächen für Solarenergie nutzbar zu machen, beispielsweise im Automoti- ve-Bereich«, gibt Feifel vor. Eine Lösung bietet die sogenannte Tandem- Photovoltaik, bei der mehrere Absorber übereinandergestapelt werden, um so ein größeres Spektrum des Sonnenlichts auf- nehmen zu können. Die Teilzellen sind da- bei nur wenige Mikrometer dünn und ver- werten ausschließlich den Teil des Lichts, den sie mit vergleichsweise geringen Ver- lusten in Strom wandeln können. Die Tech- nik existiert, III-V-Mehrfachsolarzellen erreichen bereits Wirkungsgrade von bis zu 39,2 Prozent. Statt Silicium kamen bei Mehrfach-Solarzellen bislang ausschließ- lich sogenannte III-V-Verbindungshalb- leiter zum Einsatz, eine Verbindung von Materialien der chemischen Hauptgruppe III (Erdmetalle/Borgruppe) und V (Stick- stoff-Phosphor-Gruppe), die deutlich selte- ner auftreten als Silicium. Für die Nutzung in herkömmlichen Flachmodulen sind die Kosten der III-V-Halbleiter daher noch zu hoch, die Technik wird fast ausschließlich im Weltraum eingesetzt. Feifels Ansatz ver- bindet die Vorteile beider Technologien. r e p p e u D h p o t s i r h C / r e f o h n u a r F : s o t o F »Bei meiner III-V auf Silicium-Solarzellen- struktur werden zwei III-V-Teilzellen an- hand von Kristallzucht (Epitaxie) direkt auf eine Basis aus kostengünstigem Silicium ›aufgewachsen‹«, sagt Feifel. Die große Herausforderung dieser Verbin- dung liegt in den unterschiedlichen Gitter- strukturen von Silicium und dem ersten aufgewachsenen III-V-Halbleiter Gallium- phosphid. »Dadurch entstehen Kristallde- fekte, welche die Leistung eklatant ver- ringern«, so Feifel. Er startete daher mit einem Wirkungsgrad von nur 19,7 Prozent. Die Detektion der Defekte war aufwendig. Ein Durchbruch gelang ihm durch die erst- mals für dieses Materialsystem eingesetzte ECCI-Methode (Electron channelling con- trast imaging) der Fehlererkennung und -analyse. »Die Methode wurde bislang vor allem für Metalle eingesetzt und kann eine erheblich größere Fläche auf einmal analy- sieren.« So stieß Feifel auf einen bestimm- ten Fehlertyp und konnte die III-V-Wachs- tumsbedingungen entsprechend anpassen. »Markus Feifel ist es gelungen, die Wir- kungsgrade von III-V auf Silicium-Solar- zellen von 19,7 auf 25,9 Prozent zu erhöhen, ein wesentlicher technologischer Schritt«, so Prof. Andreas Bett, Leiter des Fraunho- fer ISE. »Es ist sicherlich noch ein Weg zu gehen mit Verbesserungen der Materia- lien und der Prozesse, bevor die Ergebnis- se in die industrielle Produktion überführt werden. Aber seine Dissertation bildet die Grundlage für diese Entwicklung.« — Zum zweiten und dritten Preis 61

1 | 22 »Geruch lässt sich maschinell bisher noch nicht so präzise erfassen und analysieren wie etwa die Optik oder mechanische Eigenschaften.« Prof. Andrea Büttner, Leiterin Fraunhofer IVV Miriam Strangl bei der Analyse der Geruchsbelastung. gerichteter und innovativer Dekontami- nationsansätze mit besonderem Fokus auf die Geruchsminimierung. »Damit gehen wir einen weiteren Schritt in Richtung eines nachhaltigen Closed-Loop-Recyc- lings.« Doch auch wir Verbraucherinnen und Verbraucher müssen uns buchstäb- lich an der eigenen Nase packen. »Wir sollten grundsätzlich überlegen, ob wir eigentlich so viele Duftstoffe in unseren Produkten benötigen. Hier könnte man zumindest einen Teil des Problems direkt an der Wurzel packen.« Dass ihre Dissertation mit dem 2. Platz des Hugo-Geiger-Preises 2021 ausge- zeichnet wurde, ist Strangl nicht nur eine Ehre: »Das zeigt mir auch, dass die große Bedeutung dieser Thematik erkannt wurde. Es geht ja nicht nur um das Be- wusstsein für die Geruchsproblematik, auch andere Kontaminanten müssen eliminiert werden. Allen Beteiligten der Wertschöpfungskette wird immer klarer, dass die Kreislaufwirtschaft von Kunst- stoffen ganzheitlich und interdisziplinär angegangen werden muss, um Ressourcen nachhaltig zu schonen.« e n i l i o d u t S : : s s o o t t o o F F Laborarbeit im Dienst der Nachhaltigkeit: »Allen Beteiligten wird immer klarer, dass die Kreislaufwirtschaft ganzheitlich angegangen werden muss.« Dr. Miriam Strangl 63

1 | 22 I m Rahmen ihrer Dissertation zum Thema »Multifaktorielle Echtzeitdiagnose des Nutzer- zustands in adaptiver Mensch- Maschine-Interaktion« am Fraunhofer- Institut für Kommunikation, Informa- tionsverarbeitung und Ergonomie FKIE entwickelte Dr. Jessica Schwarz die Nut- zerzustandsdiagnose RASMUS. Diese er- möglicht eine multifaktorielle und somit ganzheitliche Erfassung und Bewertung mentaler Zustände und Einflussfak- toren auf arbeitende Personen bereits während der Aufgabenbearbeitung und schafft so die Basis für passge- naue Adaptierungsstrategien. Für die Ergebnisse ihrer Arbeit wurde die For- scherin nun mit dem 3. Platz des Hugo- Geiger-Preises 2021 ausgezeichnet. Die Digitalisierung krempelt die Arbeitswelt um und schafft sowohl neue Möglichkeiten als auch neue Her- ausforderungen. Die adaptive Mensch- Maschine-Interaktion (MMI) bietet dabei als Schnittstelle die Chance, den Menschen bei seiner Arbeit maschi- nell optimal zu unterstützen. Dieses Ziel setzt sich Dr. Jessica Schwarz in ihrer Forschung sehr bewusst. »Als Psychologin beschäftige ich mich in dem Bereich MMI schwer- punktmäßig mit den menschlichen Faktoren«, erklärt Dr. Jessica Schwarz, die inzwischen die Leitung der For- schungsgruppe »Human Factors Ana- lysis« in der Abteilung »Mensch-Maschine- Systeme« des Fraunhofer FKIE übernommen hat. Ihre Arbeit fokussiert deshalb auf einen Mensch-zentrierten Gestaltungsprozess. »Die Technik muss den Menschen unter- stützen, nicht umgekehrt.« Will man technische Systeme adaptiv auf den Menschen abstimmen, ist eine kontinuierliche Erfassung der mentalen Verfassung des Nutzers erforderlich. Denn sogenannte kritische Nutzerzustände sind häufige Unfallursachen von sicherheits- kritischen Mensch-Maschine-Systemen, etwa im Automobilbereich oder in der Luft- fahrt. »Ein tragisches Beispiel ist der Ab- sturz einer Air-France-Maschine im Jahr 2009, bei dem alle Insassen ums Leben kamen«, so Schwarz. »Die Piloten wurden von einem Ausfall des Autopiloten über- rascht und von dem technischen System nicht ausreichend dabei unterstützt, die hohe emotionale Belastung und ein fal- sches Situationsbewusstsein rechtzeitig »Sie verwendet Leistungseinbrüche, um den technischen Adaptierungsprozess auszulösen. Über die physiologischen Maße und Verhaltensmaße versucht sie dann, die Ursachen für die Leistungsminderung zu ermitteln.« Prof. Gerhard Rinkenauer, IfADo zu überbrücken.« Genau an solchen menschlichen Leistungseinbrüchen setzt Schwarz‘ Forschung an. Während bisher überwiegend versucht wird, über kritische Veränderungen in den physiologischen Maßen den Adaptierungsbedarf festzu- stellen, geht Schwarz einen neuen Weg. »Sie verwendet Leistungseinbrüche, um den technischen Adaptierungsprozess aus- zulösen. Über die physiologischen Maße und Verhaltensmaße versucht sie dann, die Ursachen für die Leistungsminderung zu ermitteln«, erläutert Schwarz‘ Doktor- vater Prof. Gerhard Rinkenauer, leitender Wissenschaftlicher Mitarbeiter Mensch- Technik-Interaktion am Leibniz-Institut für Arbeitsforschung an der TU Dortmund (IfADo). Für eine optimale Erfassung des Nutzer- zustandes hat Schwarz im Rahmen ihrer Promotion die multifaktorielle Echtzeit- diagnose RASMUS entwickelt. Der ganz- heitliche Ansatz der Diagnose berück- sichtigt sowohl die Wechselwirkungen verschiedener Dimensionen des Nut- zerzustandes wie etwa Müdigkeit, Ab- lenkung oder Situationsbewusstsein als auch äußere Einflussfaktoren. Das Ergebnis ermöglicht eine passgenaue Unterstützung seitens der Technik, die den produktiven Selbstregulierungs- strategien des Nutzenden nicht entge- genwirkt. »Auf Basis dieser ganzheit- lichen Zustandserfassung kann das adaptive System sehr zielgerichtete Strategien auswählen, um die Leis- tungsfähigkeit des Menschen wieder herzustellen«, sagt Schwarz. Die Adap- tierungsstrategien umfassen konkre- te Hilfestellungen wie optische oder akustische Hinweise oder auch eine Reduktion der Beanspruchung und technische Übernahme bestimmter Aufgabenteile. Dieses sogenannte dy- namische Adaptierungsmanagement wurde aufbauend auf der von Schwarz entwickelten Echtzeitdiagnose von ihrem Kollegen Sven Fuchs im Rahmen einer eigenen Dissertation erarbeitet. »Ge- meinsam haben wir ein funktionsfähiges adaptives System geschaffen, das jetzt in die Anwendung gehen kann«, so Schwarz. »Dass ich mit einem für die Fraun hofer- Gesellschaft eher ungewöhnlichen Thema aus dem Bereich der Psychologie und Er- gonomie eine solche Auszeichnung erhal- ten habe, freut und ehrt mich sehr«, so die Preisträgerin. »Das ist eine tolle Wertschät- zung, auch für die Ergonomie.« E I K F r e f o h n u a r F : s o t o F 65

Das Elektronensyn- chrotron in Grenoble hat einen Umfang von rund einem Kilometer. In dem Betonring zirkulieren Elektronen mit 99,99 Prozent der Licht- geschwindigkeit. Der Röntgen­ detektor ermöglicht die bei großen Objekten einmalige Auflösung von 0,025 Millimetern. Woche. Die enorme Energie dieser Elek- tronen wird zur Erzeugung von Rönt- genstrahlung genutzt. Dazu gibt es am Speicherring rund 50 Anlagen, die als Rönt- genquelle dienen. Von dort wird die Strah- lung in geraden Röhren, sogenannten Strahllinien, tangential vom Ring wegge- leitet und für die verschiedensten wissen- schaftlichen Experimente verwendet. g r o . i c i d e u v / F R S E : o t o F Neue Maßstäbe für die industrielle CT »Im Zuge der Renovierung des Elektronen- speicherrings hat die ESRF neue Strahl- linien gebaut. Eine davon ist die BM18 Beamline, die wir zu einer einzigartigen Anlage für die industrielle CT ausbauen«, erklärt Simon Zabler. Er ist ein ausgewie- sener Experte für Synchrotron-Bildge- bung und hat bereits vor über 20 Jahren seine Master- und Diplomarbeit in Gre- noble gemacht. »Fraunhofer übernimmt gemeinsam mit den Universitäten Pas- sau und Würzburg die Entwicklung der Detektortechnologie und der Datenver- arbeitung, die ESRF baut die restliche Hardware auf«, berichtet der Physiker. Das Gemeinschaftsprojekt wird vom BMBF mit 6,3 Millionen Euro gefördert. In der BM18 Beamline wird der am Elektronenspeicherring erzeugte Röntgen- strahl 200 Meter weit durch eine Vakuum- röhre geleitet, ehe er in der großen Expe- rimentierhalle ankommt. Hier trifft er auf das Objekt, das sich auf einem Podest dreht und sukzessive gescannt wird. Nach dem Durchtritt durch das Objekt trifft der Rönt- genstrahl auf den bis zu 40 Meter entfern- ten Detektor. »Durch den großen Abstand des Objekts zur Röntgenquelle und zum Detektor erhalten wir extrem scharfe Bil- der mit einem einzigartigen Phasenkon- trast«, betont Zabler. Um diese Bilder fest- zuhalten, hat das Entwicklungszentrum Röntgentechnik des Fraunhofer IIS einen Röntgendetektor entwickelt, der neue Maß- stäbe setzt. Er ermöglicht die bei großen Objekten einmalige Auflösung von 0,025 Millimetern. Die Datenmengen, die die Röntgenka- meras liefern, sind enorm. »Bei Vollbetrieb erzeugen wir pro Sekunde zwei Gigabyte Tomographie-Daten«, hat Zabler ausge- rechnet. Um diese Datenflut zu bewältigen, arbeitet das Entwicklungszentrum Rönt- gentechnik eng mit den Lehrstühlen von Prof. Tomas Sauer in Passau und von Prof. Randolf Hanke in Würzburg zusammen. Hier geht es zuerst darum, aus den Daten der einzelnen Scans das Volumenbild des Objekts zu rekonstruieren. »Wenn wir die Daten einfach roh auf den Servern des ESRF speichern würden, wäre die gesamte Speicherkapazität der Großforschungseinrichtung nach einem Monat voll«, verdeutlicht Zabler. Daher arbeitet das Projektteam an der verlust- freien Kompression der Bilddaten. Die rie- sigen 3D-Bilder werden so komprimiert, dass beliebige Bildausschnitte auf dem 1 | 22 Laptop in Echtzeit dekomprimiert und vi- sualisiert werden können. Offizieller Messbetrieb startet im Dezember Obwohl das Projekt gleich nach seinem Start im Frühjahr 2020 von der Pandemie getroffen wurde, konnten Ende 2021 die ersten Probemessungen durchgeführt werden. Als Showcase für die enorme Detailschärfe hat das Team bereits Scans eines Smartphones veröffentlicht. Weitere Beispielaufnahmen folgen im Laufe des Jahres, ehe im Dezember der Messbetrieb für die Industriekunden startet. »Unter- suchungen, für die wir mit der Labor-CT eine Woche brauchen, können wir in Gre- noble in wenigen Stunden erledigen – und das in weit besserer Qualität«, verspricht Zabler. »Fraunhofer übernimmt natürlich die komplette Abwicklung des gesamten Messvorgangs.« Für Industriekunden ist ein Achtel der Strahlzeit der BM18 Beamline vorgesehen. Die restliche Zeit steht für wissenschaft- liche Untersuchungen zur Verfügung. Um die Zuteilung von Strahlzeit haben sich schon jetzt wesentlich mehr Forschende beworben, als berücksichtigt werden kön- nen. Die Auswahl trifft eine unabhängige Jury. Ein Projekt ist bereits genehmigt: der »Human Organ Atlas«. Bei diesem Vor- haben werden menschliche Organe aus der Pathologie mit enormer Genauigkeit gescannt und der Allgemeinheit zugäng- lich gemacht. Die ersten Aufnahmen hat das Projektteam bereits an einer Schwes- ter-Beamline aufgenommen. Das Faszi- nierende an den Bildern ist, dass man in das Organ hineinzoomen und sogar zel- luläre Strukturen erkennen kann. An der BM18 Beamline will das internationale Team demnächst den Torso eines Verstor- benen in 3D scannen und der Welt damit einen einzigartigen anatomischen 3D- Atlas zur Verfügung stellen. — Weitere Infos: https://s.fhg.de/roentgen 67

EUROPA Schnelleres Laden mit intelligenten Sensoren Akustisch-mechanische und thermische Sensoren helfen, die Lade- und Entlade- zyklen optimal auszusteuern. komponenten zu einem neuartigen Monitoringsystem zusammengefügt, das bisher brachliegende Reserven im Batteriemanagement erschließt. Das Ergebnis: eine Reduktion der Lade- zeiten um bis zu 20 Prozent – ohne Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Batterie zu beeinträchtigen. Das Fraunhofer ISC arbeitet vor allem an der Sensorentwicklung zur Überwachung der Batteriezellen. Die Messdaten werden den Batteriema- nagementsystemen übermittelt und machen ein zustandsabhängiges opti- males Laden und Entladen möglich. Fehler und negative Einflüsse auf die Batterielebensdauer und -leistungs- fähigkeit werden frühzeitig entdeckt. Vom Smartphone bis zum E-Auto: Schnelleres Laden, höhere Reichweite und längere Lebensdauer von Lithium- Ionen-Batterien sind die Ziele des europäischen Forschungsprojekts SPARTACUS. Auf dem Weg dorthin sind die Forschenden nun einen gro- ßen Schritt vorangekommen. Koordi- niert vom Fraunhofer-Institut für Sili- catforschung ISC haben die Projekt- partner neue Sensorkonzepte sowie Prognosemodelle für den Batteriezu- stand und die optimale Ladesteuerung erarbeitet. Jetzt werden diese Einzel- o t o h p k c o t s i / o a z a r F o v a t s u G , l h s a p s n U / o i l l o P o n a f e t S , e n i l n O 1 F / y s k c o t S e d e b / a r i i e d r e C s i u L , s n a S í t r a M , a p d / o t o f t s o C / g n a G g n a W : s o t o F CHILE Ökologisch dämmen Aus pflanzlichen Abfällen der chileni- schen Land-, Forst- und Holzwirtschaft haben Forschende des Fraunhofer- Instituts für Holzforschung Wilhelm- Klauditz-Institut WKI Dämmstoffe für den Wohnungsbau entwickelt. In Ko- operation mit chilenischen Industrie- partnern ist es dem Team so gelungen, eine umwelt- und klimafreundliche Al- ternative zu den bislang üblichen mine- ralischen und erdölbasierten Produk- ten herzustellen. Dämmmaterialien aus nachwachsenden Rohstoffen sind in Chile noch weitgehend unbekannt. Die Forschenden nutzen vor allem Gräser, Weizen- und Haferstroh. Damit können Bisher werden pflanzliche Abfälle in Chile kaum genutzt. nachhaltige Dämmmaterialien herge- stellt werden, die zusätzlich zum Wär- meschutz auch Schall- und Brand- schutznormen erfüllen. Die innovativen Baustoffe binden CO2 aus der Atmosphäre und können zudem als Rohstoff für diverse Kon- sumgüter wie dünne Formteile in der Automobilindustrie wiederverwendet werden. Am Ende der Wertstoffkette lassen sich die pflanzlichen Fasern ver- brennen oder kompostieren. 1 | 22 Wie von dichtem Nebel umgeben – Demenzpatienten erreicht oft nichts mehr. EUROPA Der Demenz auf der Spur Die zuverlässige Früherkennung von Alzheimer ist das Ziel des europäischen Forschungsprojekts DEBBIE. Die Krank- heit wird oft erst entdeckt, wenn ein- deutige klinische Symptome auftreten. Dann ist die unheilbare Störung des Gehirns bereits weit fortgeschritten und Nervenschädigungen irreversibel. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Digitale Medizin MEVIS entwickeln ei- ne neuartige Steuerungssoftware, eine sogenannte Messsequenz, die eine de- tailliertere Bildgebung mithilfe von Ma- gnetresonanztomographen (MRT) er- möglicht und krankhafte Veränderun- gen frühzeitiger sichtbar machen soll. Die Software versetzt den MR- Tomographen in die Lage, Verände- rungen der Blut-Hirn-Schranke (BHS) genauestens abzubilden. Dabei kann auf patientenbelastende Kontrastmit- tel verzichtet werden. Ist die BHS be- schädigt, können Schadstoffe in die Gehirnzellen eindringen, das Gewebe stören oder verändern, noch bevor sich erste Alzheimer-Symptome zeigen. Be- ginnt man bereits jetzt mit einer The- rapie, lässt sich die Gedächtnisleistung länger erhalten. Begleiterscheinungen der Krankheit wie Störungen der Ori- entierung, der Sprache oder der Wahr- nehmung können dann voraussichtlich gemildert werden. 69

1 | 22 lymere für Textilfasern hergestellt werden und breiten Einsatz in der Textilindust- rie finden. »Algen eignen sich als Roh- stoff im Sinn einer nachhaltigen Kreis- laufwirtschaft sehr gut«, sagt Brinitzer. »Sie verwerten zum einen CO2 und zum anderen lassen sich Reststoffe des Verar- beitungsprozesses wie etwa Proteine auch in anderen Branchen wiederverwenden.« Nicht nur um die Algen aufzubereiten, sondern in der gesamten Prozesskette setzt das Forscherteam durchgehend auf die Grundsätze der grünen Chemie, wie Abfallvermeidung oder weniger gefähr- liche chemische Synthesen. Das ist auch der Adidas AG wichtig, die jeden Prozess- schritt in puncto Nachhaltigkeit auf den Prüfstand stellt. Dass aus den mikroskopisch kleinen grünen Zellfabriken modische Kleidungs- stücke entstehen, ist abgestimmte Team- arbeit: Das Fraunhofer IGB kultiviert die Mikroalgen zunächst in Photobioreakto- ren. Durch eine limitierte Stickstoffzufuhr bilden die Algen vermehrt die gewünsch- ten Fettsäuren, die sich in bis zu 50 Pro- zent der Biomasse anreichern. Diese Al- genfettsäuren werden dann durch Druck, Hitze und grüne Chemikalien extrahiert und stehen nun als Ausgangsstoff für die Polymerherstellung bereit. Ein Team an der Universität Bayreuth erstellt daraus in weiteren Prozessschritten spinnbare Poly- amide und Polyester. Das Institut für Tex- tiltechnik der RWTH Aachen ITA spinnt die erzeugten Biopolymere im Schmelz- spinnverfahren zu Kunststofffasern und evaluiert zusammen mit Adidas ihre Ver- arbeitbarkeit zu gestrickten Textilien. Zehnmal höhere Ausbeute durch LED-Licht Einen Knackpunkt bei der bisherigen Frei- landkultivierung der Algen mit natürli- chem Sonnenlicht stellte die Ausbeute dar. Deshalb werden im Fraun hofer IGB vielversprechende Versuche mit LED- Licht und einem neuen Stack-Aufbau der Photobioreaktoren gemacht. Auf einem Quadratmeter finden dichtgepackt plat- tenförmige Bioreaktoren mit einem Vo- lumen von derzeit bis zu 250 Litern ne- beneinander Platz. »Das künstliche Licht ermöglicht eine Steigerung der Ausbeute in diesem System um den Faktor 10, weil es im Vergleich zum sehr volatilen Son- nenlicht dauerhaft brennt und die Algen rund um die Uhr Photosynthese betreiben können«, erläutert Schmid-Staiger. Den dadurch resultierenden höheren Strom- bedarf decken die Forschenden mit re- generativen Energien. Durch die extrem kompakte Bauweise kann nun auf weni- gen Quadratmetern dieselbe Menge Bio- masse produziert werden wie zuvor auf einem ganzen Hektar mit Sonnenlicht. Mit dem Projekt AlgaeTex sind die Part- ner im BMBF-geförderten Innovationsraum »Biotexfuture« vertreten, der nachhaltige Rohstoffquellen für die Textilbranche er- schließen will. Noch ist das Verfahren auf den Labormaßstab beschränkt. Ziel ist es, im Frühsommer 2022 etwa 20 Kilogramm Algenbiomasse für die weitere Verarbei- tung bereitzustellen. Daraus sollen dann erste Demonstrationstextilien entstehen, in denen die Biopolymerfasern zunächst zu 50 Prozent und später zu einem größe- ren Anteil beigemischt sind. Prinzipiell lässt sich aus den Algenfasern jede Art von Textilien herstellen. In Aussehen, Haptik und Funktion bieten die biobasierten Stof- fe dann die gleichen Vorteile wie ihre erd- ölbasierten Verwandten. Plus ein gutes ökologisches Gewissen für ihre Trägerin- nen und Träger. E R U T U F X E T O B I , k c o t s r e t t u h s / m u h c g n o h K i t i n k o h C : s o t o F Die Mikroalge Chlorella vulgaris bildet Fettsäuren, aus denen man Biopoly- mere für Textilfasern herstellen kann. »Das künstliche Licht ermöglicht eine Steigerung der Ausbeute in diesem System um den Faktor 10.« Dr. Ulrike Schmid-Staiger, Fraunhofer IGB Algenfasern könnten Chemiefasern als nachhaltige Alternative bald Konkurrenz machen – ohne Einbußen bei Qualität, Optik oder Funktion. 71

1 | 22 Je frühzeitiger Hautkrebs erkannt und behandelt wird, desto besser ist er heilbar. Menschen mit vielen Muttermalen sollten ihren Körper sorgfältig beobachten. Bei der Beurteilung der Leberflecke hilft die ABCDE-Regel: Aufbau, Begrenzung, Colour (Farbe), Durchmesser und Entwicklung. Intelligenz« (XAI) vor allem als technischen Partner und möchte ein System bauen, das wirklich aussagekräftig ist. Dabei geht es nicht nur darum, per KI ein Hautkrebs- risiko zu ermitteln, sondern das Ergebnis auch begründen zu können. Grundsätzlich sei die KI eine Black Box, die mit einer gro- ßen Menge an Daten gefüttert werde, aus denen sie selbstständig lerne und Regeln ableite, so Lapuschkin. Warum sie zu wel- chen Schlüssen kommt, bleibt im Verbor- genen. Bei XAI jedoch geht es vereinfacht darum, die Entscheidungsprozesse offen- zulegen. Für ihre Analyse muss die KI Daten lesen, verarbeiten, unterschiedliche Charakteris- tika extrahieren und unzählige Entschei- dungen treffen. »Wir wollen Informationen über all diese Teilentscheidungen haben, damit wir diese hinterfragen und verste- hen können«, sagt Lapuschkin. Zieht die KI etwa aus Bildern eines stark behaarten Hautkrebspatienten die falschen Schlüsse, müssen die Forschenden darauf reagieren. »Wenn wir wissen, dass die Haarindikato- ren zu stark mit einer positiven Diagnose korrelieren, können wir das im nächsten Trainingsprozess entsprechend berück- sichtigen«, erläutert Lapuschkin. Die Fraunhofer HHI-Forschenden müs- sen herausfinden, welche internen Features für das Fehlverhalten verantwortlich sind, sie entfernen oder unterdrücken, damit die KI zuverlässig und sicher arbeitet. »Un- sere Aufgabe ist es, ein neues Level der Er- klärbarkeit zu gewährleisten«, sagt La- puschkin. Die endgültige Diagnose stellt immer noch die Medizinerin oder der Me- diziner. Und erkennt das System Hautkrebs, weil der Proband an dieser Stelle ein Tat- too trägt, muss das nachvollziehbar sein. Das Ziel der Forschenden ist, den Ganz- körperscanner massentauglich zu machen und damit so viele Daten zu sammeln wie möglich. Denn je mehr die KI weiß, desto unwahrscheinlicher werden falsche Schlussfolgerungen. Noch werden die Modelle mit Haut- krebsbildern aus Datenbanken trainiert, da die Scanner bislang keine eigenen Fotos aufnehmen konnten. Das werden sie spä- ter mit speziellen Flüssiglinsenkameras tun. Deren Linsen basieren auf zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten mit unterschied- licher Brechung und ermöglichen eine noch nie dagewesene Bildqualität. Sie sind in der Lage, subkutane Bilder zu erzeugen, indem sie quasi durch die oberste Haut- schicht blicken und Körperbehaarung kei- ne Rolle mehr spielt. Polarisierendes Licht aus mehreren Richtungen verhindert Re- flexionen und beleuchtet nur die relevan- te Hautschicht. Momentan verzögert sich die Fertig- stellung der Scanner. Die weltweiten Lie- ferengpässe betreffen unter anderem me- chatronische Komponenten und Kameras, die für den Bau der Prototypen notwendig sind. Diese sollen zunächst in drei Kran- kenhäusern in Spanien, Italien und Aus- tralien zum Einsatz kommen. 73 e n i l n O 1 F / 1 6 d n e t s e W o t o F :

1 | 22 Fraunhofer-Magazin Foto & Fraunhofer Nachhaltig genießen s t c u d o r P A N U C , e g d i r B l i e n a D : s o t o F Deutsche lieben Kaffee – auch aus Einweg-Bechern. Pro Stunde werden nach Zahlen des Umweltministeriums 320 000 Stück verbraucht, fast drei Milliarden pro Jahr: zehn Minuten Nutzung, meist nicht-recycelbarer Müll auf Dauer, 48 000 Tonnen CO2-Emissionen in der Summe. Im Januar haben Fraunhofer und Partner in der SmartFactoryOWL in Lemgo, einer Einrichtung des Fraunhofer IOSB-INA und der Technischen Hochschu- le OWL, eine digital unterstützte und nachhaltige Kunst- stoffproduktion eingeweiht. Zusammen mit dem Start- up CUNA Products GmbH werden in dem KI-Reallabor Mehrwegbecher hergestellt aus einem nachhaltigen, biobasierten Kunststoff ohne Einsatz von Öl, wieder- verwendbar und recycelbar. Dort wird kollaborativ in einem realen Produktionsbetrieb an Industrie-4.0.-Tech- nologien geforscht. Die datenbasierte Produktion in der SmartFactoryOWL nennt Prof. Jürgen Jasperneite ein »Operieren am offenen Herzen«. Der Direk- tor des Fraunhofer IOSB-INA verspricht sich davon vor allem viel Tempo: »Dieser Ansatz bietet den schnellsten Reife prozess von di- gitalen und nachhaltigen Innovationen.« 75

»Bislang hat der Holzbau mit etwa 10 bis 15 % einen geringen Anteil am deutschen Baumarkt. Unser Ziel ist es, das signifikant zu ändern.« Prof. Libo Yan, Fraunhofer WKI Jeder Kubikmeter Holz kann etwa eine Tonne CO2 dauerhaft speichern. Wird das Holz verbaut, bleibt das CO2 gebunden, wäh - rend zugleich Raum für neue Bäume entsteht. 1 | 22 77 i i a p e S / b e h c S n m r A i : n o i t a r t s u l l I

Fraunhofer vor Ort Hannover Berlin Köln Aachen München 1 | 22 Aachen 4. – 6.5.2022 AKL‘22 – 13. Inter national Laser Technology Congress Führendes Forum für angewandte Lasertechnik in der Produktion Hannover 30.5. – 2.6.2022 Hannover Messe Weltleitmesse der Industrie Berlin 22. – 23.6.2022 HUB Berlin Kongress des Digitalverbands Bitkom Berlin 22. – 26.6.2022 ILA Berlin Internationale Fachmesse der Luft- und Raumfahrtindustrie Berlin 26. – 28.4.2022 DMEA Leitveranstaltung zur Digitalisierung des Gesundheitswesens München 26. – 29.4.2022 LASER World of PHOTONICS Das Fraunhofer ILT stellt seine Forschung zum Quan- teninternet und weitere Quantentechnologien vor. Köln 26. – 29.4.2022 Anuga Foodtec Internationale Zuliefer- messe für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie Stand: März. Aufgrund der Pandemie kann es zu Änderungen kommen. Bitte beachten Sie die Informationen der Veranstalter. Fraunhofer-Magazin Das Magazin für Menschen, die Zukunft gestalten Wollen Sie das Fraunhofer- Magazin sofort bei Erscheinen in ihrem Briefkasten – kostenlos? Bestellen Sie direkt online unter http://s.fhg.de/bestellen 79 1 22Wie sicher sind unsere Autobahnen?Brücken am Anschlag: Sensor­system soll Mängel aufspürenVerónica García-Arteaga, Fraunhofer-Forscherin und Gründerin»Veränderungen, die 83 Millionen betreffen.«Landwirtschaftsminister Cem Özdemir im InterviewUnsere Ernährung ist im Umbruch. Wie schmeckt die Zukunft?Das ist kein EiRückenwind für WasserstoffEnergiewende vom Meer4