2 2 | 3 Unsere Energie Woher sie kommt Wie wir sie sichern Grün isst die Zukunft Nahrung für alle – aus dem Meer Prof. Clemens Rohde, Fraunhofer ISI Brustkrebs: Zellen- Fahndung im Blut Neue Diagnose – schneller, schonender, effizienter »Wir sind in der angewandten Forschung gut aufgestellt!« Bundestagspräsidentin Bärbel Bas im Interview

3 | 22 Editorial Prof. Reimund Neugebauer Langfristig kann auch die Kernfusion ein hohes Potenzial für eine CO2-freie Energieversorgung entfalten. Bereits ein Gramm Deuterium-Tritium-Fusionsbrennstoff ermög- licht den gleichen Energiegewinn wie die Verbrennung von elf Tonnen Steinkohle. Die USA verfolgen hier bereits viel versprechende Ansätze, die Deutschland mit seinem Know-how und neuen Technologien erfolgreich unterstüt- zen kann. Nicht trotz, sondern gerade aufgrund der Krise gilt: Deutschland muss im globalen Wettbewerb weiter auf Forschung und Innovation setzen. Denn nachhaltige Inno- vationen im Energiesektor sind der beste Weg, die Produk- tivität zu steigern und nachhaltige Wertschöpfung, Wohl- stand und Wettbewerbsfähigkeit langfristig zu sichern. Ihr Reimund Neugebauer Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft — Mehr zu den großen Forschungsthemen der Fraunhofer-Gesellschaft: Prof. Reimund Neugebauer auf LinkedIn Innovation als Weg aus der Energiekrise Energie ist aktuell das alles beherrschende Thema in Euro- pa – und nachhaltige Energiequellen spielen nicht nur auf dem Weg zu einer treibhausgasneutralen Wirtschaft und Gesellschaft, sondern auch ganz konkret bei der Gewähr- leistung der Versorgungssicherheit unseres Landes eine entscheidende Rolle. Zur Sicherung unserer langfristigen Wettbewerbsfähigkeit und technologischen Souveränität gilt es, unsere heimische Energieproduktion zu erhöhen. Gelingen kann dies unter anderem durch den beschleunig- ten Ausbau erneuerbarer Energien wie Wind- und Solar- energie sowie den Hochlauf einer Wasserstoffwirtschaft zur Dekarbonisierung der Industrie. Die Fraunhofer-Gesellschaft treibt seit Jahrzehnten stra- tegische Forschung in verschiedenen Bereichen der Kli- mainnovationen voran. Ein Beispiel für exzellente Ener- gieforschung sind die höchsteffizienten Solarzellen, mit denen das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE bereits mehrfach Weltrekorde aufgestellt hat. Mithilfe einer neuen Antireflexbeschichtung ist es dem Fraunhofer ISE zuletzt im Mai gelungen, den Wirkungsgrad der bisher besten Solarzelle auf 47,6 Prozent zu erhöhen. Auch die Kosten für PV-Technologien konnten seit 2010 um über 90 Prozent gesenkt werden. Aufgrund seiner vielseitigen Anwendungsgebiete in Industrie, Verkehr sowie der Strom- und Wärmeerzeugung gilt Wasserstoff mittelfristig ebenfalls als eines der Schlüs- selelemente für Klimaneutralität. Laut einer aktuellen Fraunhofer-Studie wird bis 2050 der globale Wasserstoff- anteil am Endenergieverbrauch zwischen vier und elf Prozent betragen. Um sich flächendeckend durchsetzen zu können, muss dieser jedoch zu marktwirtschaftlichen Preisen, in ausreichenden Mengen und klimaneutral hergestellt werden. Mit dem Start des Nationalen Aktions- plans für Brennstoffzellenproduktion H2GO ist kürzlich ein erster Meilenstein erzielt worden. Das vom Bund mit 80 Millionen Euro geförderte Projekt bündelt die Aktivitäten von 19 Fraunhofer-Instituten für die Entwicklung einer hochskalierbaren industriellen Brennstoffzellen-Produk- tion, vorrangig für den straßengebundenen Schwerlast- verkehr. In diesem Kontext garantiert H2GO die Hochska- lierung der Brennstoffzellenproduktion und ebnet dadurch den Übergang zur »Wasserstoffrepublik« Deutschland. zurück zu Seite 1 3 r e b u H d r a h n r e B / r e f o h n u a r F : o t o F

26 »Wir werden nachhaltiger und digitaler leben, wohnen, wirt- schaften!« Mit neuen Technologien kann die Energiewende gelingen, ist Bundestagspräsidentin Bärbel Bas überzeugt 30 Durchblick in komplexen Netzen Je vielschichtiger die Netzwerke, desto störanfälliger sind sie. Quanten computer helfen, sie resilienter zu machen 32 Luftpost 2.0 Drohnen aus der Ferne sicher steuern 35 Staffellauf des Wissens, Folge 6 Wie sind die kritischen Infrastruk- turen in Forschung und Wirtschaft in Deutschland in Bezug auf Cyber- sicherheit aufgestellt, Herr Prof. Waidner? 50 Netzwerk der Miniatur-Helfer Eine neue Generation von Mikro- implantaten macht Menschen mit funktionalen Einschränkungen das Leben leichter 70 Tierisch gute Flugpatrouille Geier sind bald mit einem Frühwarnsystem für ökologische Krisenherde unterwegs. 3 | 22 76 Brustkrebszellen im Blut aufspüren Eine neue Form der Diagnostik macht Schluss mit der quälend langen Warterei – und ist zugleich wesentlich schonender. 74 Foto & Fraunhofer Hightech-Sensoren sollen autono- mes Fahren ermöglichen, brauchen aber viel Platz im Auto. Fraunhofer- Forschende haben eine smarte Lösung gefunden 76 Brustkrebszellen im Blut aufspüren Schneller Gewissheit dank neuer Methode 58 Emotion als Herzensprojekt Neue technische Hilfsmittel geben Autisten mehr Gefühl fürs Gefühl. 54 Erste Reihe für alle Kulturevents im virtuellen Raum 58 Emotion als Herzensprojekt Autisten die Kommunikation im beruflichen Alltag erleichtern 60 Auf den Pilz bauen 78 Resiliente Netze und wehrhafte Die Natur als Material-Lieferant 64 Ein Fall für den Quanten- computer? Versorgungssicherheit trotz ver- flochtener Energiesysteme mit zahlreichen Einflussgrößen 66 Carbonfaserrecycling trifft auf Papierschöpfen Alte Carbonfasern mit einer Technologie aus der Papierher- stellung wiederverwerten 68 Fraunhofer international 70 Tierisch gute Flugpatrouille zum Schutz der Savanne Ein innovatives Tiersender-System zeigt frühzeitig an, wenn im Öko- system etwas nicht stimmt zurück zu Seite 1 Systeme Eine neu entwickelte Software hilft, das europäische Gasnetz zu schützen 79 Fraunhofer vor Ort Seit Beginn des Krieges in der Ukraine wurden in der Europäischen Union 24 Prozent des Stroms aus Solar- und Windkraft produziert – so viel wie noch nie. Auf diese Weise sparten die Mitgliedstaaten rund 99 Milliarden Euro für teure Gasim - porte, errechneten die Organisatio- nen Ember und E3G in einer aktuellen Studie. 24 ; o t o h p k c o t s i , a p d / k e h t o t o h p / l n e H r e d n a X i , n n a m r e t a R s a n o J : e t i e s k c ü R d n u r e v o C s o t o F y r a r b i L o t o h P e c n e i c S / r e n s s i e m h c s G e v e t S , i l e r u t c i p n a p / e k h c s z t a n n y S l i e n K , c i v i r K ž a j t a M , h c s r i K é r d n A , a p 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 , n n a m r e t a R s a n o J : t l a h n I s o t o F 5

Alte Reifen wieder nutzen Runderneuerte Reifen verursachen in der Her- stellung mehr als 60 Prozent weniger CO2-Emis- sionen als qualitativ vergleichbare Neureifen. Der Grund hierfür ist vor allem die Einsparung von Rohstoffen und Energie. Zu diesem Ergebnis kommt eine aktuelle Studie des Fraunhofer-Insti- tuts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT im Auftrag der Allianz Zukunft Reifen (AZuR), gefördert von der Deutschen Bundesstif- tung Umwelt (DBU). In Deutschland fallen jährlich etwa 570 000 Tonnen Altreifen an, die größtenteils verbrannt oder zu Gummigranulaten und Gummimehl ver- arbeitet werden. Die umweltfreundliche Alter- native der Runderneuerung wird nur selten ge- nutzt. »Das liegt daran, dass viele Menschen un- sicher sind, wenn es um runderneuerte Reifen geht«, sagt AZuR-Netzwerkkoordinatorin Chris- tina Guth. Dabei ist die Laufleistung runderneu- erter Reifen laut Studie mit qualitativ vergleich- baren Neureifen identisch. Auch sonst hätten die recycelten Reifen viele Vorteile. Guth: »Wenn sich Mobiler Lebensmittel-Check k c o t S e b o d A / s l l e c x i p - g o r a m , o t o h p k c o t s i e l l a / a v e s t i a Z a n i r e t a k E , D 3 k c a J k c a B l , i n a n o d a b a : s o t o F Wer keinen Hund hat, der Reifegrad und Qualität erschnüffeln kann, für den haben Fraunhofer-Forsche- rinnen und -Forscher die Lösung. 3 | 22 Genauso gut wie neue und dabei wesentlich umweltfreundlicher: recycelte Reifen. die Quote erhöht, könnte man große Mengen Roh- öl, Gummi und Stahl einsparen.« Außerdem sind wiederaufbereitete Reifen günstiger als Neuware. Um Nutzerinnen und Nutzer zu überzeugen, müss- ten diese über die ökologischen und wirtschaft- lichen Vorteile recycelter Reifen besser informiert werden. Ist das Fruchtfleisch der Avocado unter der dicken Schale bereits verfault? Das lässt sich zukünftig schnell feststel- len mithilfe eines kleinen, mobilen Scannersystems, das am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS entwickelt wird. Das System kann Lebensmittel be- rührungslos auf Qualität, Reife und Frische überprüfen. Die Analysegeräte sind so klein, dass sie in Tablets oder perspektivisch sogar in Smartphones integriert werden können. Die Verwendung von mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS) ermöglicht hochkompakte Scanner. Die Qualität der Messungen ist trotz der geringen Größe gut. Die erfassten Daten werden vor Ort oder online che- mometrisch ausgewertet und daraus spezifische Merk- male extrahiert. Hierdurch werden nicht nur Aussagen zur Reife und Frische von Lebensmitteln möglich, sondern auch die Überprüfung korrekter Mischverhältnisse in der Lebensmittelverarbeitung, schnelle Warenein- und -aus- gangskontrollen oder die gezielte Selektion in Weiterver- wertungsprozessen. Dank der rechtzeitigen Erfassung von nachlassender Frische in der gesamten Lieferkette können zudem Lebensmittelverluste minimiert werden. zurück zu Seite 1 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, Beate Strobel Redaktionelle Mitarbeit: Dr. Janine van Ackeren, Mandy Bartel, Dr. Katja Engel, Meike Grewe, Robert Grill, Sirka Henning, Tim Schröder, Mehmet Toprak, Yvonne Weiß Layout + Litho: Vierthaler & Braun Titelbild und Fotografie der Titelstrecke: Jonas Ratermann Fotografie Artikel Ernährung: André Kirsch Druck: Zeitfracht 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 ) 2 ( o t o h p k c o t s i , a p d / y a M k n a r F : s o t o F 3 | 22 Sicher auf dem E-Scooter unterwegs Die Unfallbilanz von E-Scootern ist ähnlich schlecht wie die von Mofas und Mopeds. Fraunhofer- Forschende haben mithilfe von Crashtest-Dummys und Computer-Simulationen untersucht, wie sich E-Scooter- Fahrerinnen und -Fahrer besser schützen können. Im Jahr 2020 gab es in Deutschland 2155 Kollisionen mit E-Scootern. D ie Teams aus den Fraunhofer-In- stituten für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI und für Werkstoffmechanik IWM haben im Pro- jekt HUMAD den Verlauf typischer Un- fälle analysiert und das damit verbundene Verletzungsrisiko bestimmt. Zusätzlich haben sie überprüft, wie geeignet ver- schiedene Helme und Protektoren sind. Das Ergebnis: Selbst bei einer schein- bar niedrigen Geschwindigkeit von nur 10 km/h entfesselt ein Aufprall im 90°-Win- kel enorme Beschleunigungen von 170 g auf den menschlichen Körper. Handels- übliche Fahrradhelme und Protektoren mildern die Sturzfolgen, bieten aber keinen vollständigen Schutz beim Zusammenprall mit harten Objekten. Dr. Jörg Lienhard, verantwortlich für Leichtbau-Engineering im Geschäftsfeld Bauteilsicherheit und Leichtbau am Fraun- hofer IWM, erklärt: »Protektoren nutzen oftmals Kunststoffe mit einer Wabenstruk- tur (Honeycomb). Unsere Tests im Labor zeigen, dass Materialien mit der sogenann- ten TPMS-Struktur (Triply Periodic Mini- mal Surface) deutlich besser vor kineti- schen Einwirkungen schützen.« Die TPMS- Struktur ist extrem »luftig« und offen. Dadurch kann die kinetische Energie von Schlägen besonders gut über die Fläche verteilt werden. So schwächt sie den Druck auf einzelne Stellen ab. Das Konzept stammt aus der Bionik, ist also von der Natur abgeschaut. Chitin-Panzer von In- sekten weisen beispielsweise eine solche Struktur auf. Gefertigt werden könnten TPMS-Hel- me und -Protektoren im 3D-Druck mit allen denkbaren Materialien. Die 3D-Druck-Ver- fahren sind sehr flexibel und ermöglichen es, sicherheitsrelevante Komponenten in- dividuell für die jeweilige Anwendung und ihr typisches Gefahrenprofil herzustellen – mittels DLP-Verfahren (Direct Light Pro- cessing) auch in großen Stückzahlen. zurück zu Seite 1 9

3 | 22 Vorhandene Energie effizienter nutzen: Lisa Neusel und Prof. Clemens Rohde vom Fraunhofer ISI setzen dafür auf die verändernde Kraft von Netzwerken im Industriesektor. zurück zu Seite 1 11

3 | 22 »Diese Frage ist eindeutig mit Ja zu beant worten: Mit einer entsprechenden Regelung sind sogar reine Stromrichtersysteme möglich – sie können selbst im Worst Case den gewünschten Beitrag leisten.« Dr. Philipp Strauß, Fraunhofer IEE zurück zu Seite 1 13

»Der Wert von Energie ist zukünftig abhängig von den verknüpf­ ten Daten.« Studie »Digitalisierung des Energiesystems – 14 Thesen zum Erfolg«, Fraunhofer Cluster CINES weitermacht wie bisher und hierdurch seine Momentan- reserve aktiviert, die das Netz stabilisiert. »Wir wollten herausfinden, wie diese Stromrichter im Verbundnetz zu regeln sind: Gibt es überhaupt eine Möglichkeit, große Netzstörungen damit aufzufangen?«, erläutert Strauß, der das gesamte Projekt am Fraunhofer IEE koordiniert. Kann die Technologie leisten, was die Forschenden sich erhofft haben, und Deutschlands Net- ze ausreichend stabilisieren? »Diese Frage ist eindeutig mit Ja zu beantworten: Mit einer entsprechenden Rege- lung sind sogar reine Stromrichtersysteme möglich – sie können selbst im Worst Case den gewünschten Beitrag leisten«, freut sich der Forscher. Auch kann die neue Regelung mit den bestehen- den koexistieren – ein wichtiger Punkt, wenn erneuerbare Energien die fossilen Kraftwerke Schritt für Schritt ablösen. Auch haben die Forschenden die nötigen Regelver- fahren zur Spannungsstabilisie- rung entworfen. Im Bereich der Höchstspannung sowie bei größe- ren Stromrichtern im Übertra- gungsnetz werden solche netzbil- denden Stromrichter mit digitaler elektrischer Trägheit bereits gefor- dert. Was das Verteilnetz angeht – wo sie ebenfalls integriert werden sollen – besteht allerdings noch Forschungsbedarf. Knifflig ist hier unter anderem das Zusammenspiel mit der bestehenden Schutztechnik, schließlich sollen die neuen Stromrichter keine neuen Probleme hervorrufen. Ohne Digitalisierung ist die Energiewende nicht zu schaffen Nicht allein im Bereich der Netzstabilität macht Digita- lisierung Hoffnung. Sie gilt vielen als der Schlüssel, um die Energiewende zu schaffen, mehr Unabhängigkeit von fossilen Energieträgern zu bringen und die Klima- katastrophe zu mildern. »Zwar hat die Digitalisierung in den verschiedenen Netzebenen deutlich an Fahrt aufge- nommen, insbesondere in den Höchst- und Hochspan- nungsnetzen«, berichtet Dr. Marijke Welisch, Geschäfts- führerin des Fraunhofer Exzellenz-Clusters Integrierte Energiesysteme CINES. »Doch gerät das Thema über die Diskussion zu Preissteigerungen und Gaslieferproblemen ins Hintertreffen. Eine fatale Angelegenheit: Schließlich benötigt fast die gesamte Transformation des Energie- systems digitale Technologien – ohne eine umfassende Digitalisierung ist die Energiewende nicht rechtzeitig zu schaffen.« Einer der Gründe: Das Energiesystem wird 3 | 22 durch Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen, Elektrofahr- zeuge und Co. sehr kleinteilig. Doch lassen sich die Netze nicht beliebig ausbauen, auch sind die Millionen von An- lagen – im Gegensatz zu den bisherigen wenigen großen Kraftwerken – kaum zu steuern ohne digitale Intelligenz, die die Randbedingungen prüft und die Signale aufteilt. Ein weiterer Knackpunkt ist die Zeit, die die Energiewen- de braucht: Viele Abläufe funktionieren nur schnell und effizient, wenn sie digital umgesetzt werden. »Zahlreiche neue Anlagen und Netzkomponenten müssen genehmigt werden. Landen die Anträge dafür jedoch als Fax auf dem Schreibtisch der Sachbearbeiten- den, ist das weder zeitgemäß noch zielführend. Auch hier ist eine Di- gitalisierung dringend nötig«, er- innert Manuel Wickert, Leiter der Forschungsdimension Digitalisie- rung im Cluster. In der Studie »Digitalisierung des Energiesystems – 14 Thesen zum Erfolg«, die Ende September 2022 veröffentlicht wurde, haben die Forschenden des Clusters daher Thesen erarbeitet und für jede The- se Botschaften an die Politik sowie konkrete Handlungsempfehlungen für die Energiewirtschaft abgelei- tet. »Am Anfang stand eine Szena- rienanalyse: Wie könnte eine kom- plett digitalisierte Energiewelt in den nächsten fünf Jahren aussehen, wie eine vollständig analoge? Und wie eine, die den Sta- tus quo beibehält? Auf Basis dieser Szenarien haben wir die Trends aus Energiewirtschaft und Digitalisierung zu- sammengeführt und Schnittmengen gesucht«, erläutert Welisch. Fünf Themenschwerpunkte identifizierten die Forschenden auf diese Weise: Datenökonomie, Sektoren- kopplung, Anlagenkommunikation, Cybersecurity und Netzbetrieb/Netzplanung. Was die Datenökonomie an- geht, ist es für Netzbetreiber essentiell, ausreichend Daten zum Stromhandel als auch zur Planung zugehöriger Sys- temdienstleistungen wie der Regelreserve zu haben. Denn: Unsicherheit fördert die Kosten für den Ausgleich. These eins lautet daher: »Der Wert von Energie ist zukünftig abhängig von den verknüpften Daten«. Was damit gemeint ist, lässt sich am besten an einem Beispiel verstehen: So war bei der Sonnenfinsternis am 20. März 2015 unklar, wie sich dieses Naturschauspiel auf die Produktion des Solarstroms auswirken würde – es wurde daher teurer Ausgleichsstrom bereitgestellt. Je mehr Daten aus der Meteorologie und der Photovoltaik vorliegen, desto bes- ser und kostengünstiger lassen sich solche Ereignisse meistern. »Man sollte sich daher nicht allein auf Smart Meter als effiziente Datenquelle verlassen, sondern zurück zu Seite 1 15

3 | 22 »Das Gas aus Russland war günstig. Um nun wieder richtig auf Kurs zu kommen, brauchen wir mindestens bis 2030.« Prof. Bruno Burger, Fraunhofer ISE zurück zu Seite 1 17

Pilotnetzwerke ins Leben gerufen. In diesen schließen sich in der Regel jeweils acht bis 15 Unternehmen sowie ein technischer Energieberater für zwei bis drei Jahre zu- sammen – mit dem Ziel, Energieeffizienzmaßnahmen im Bereich Heizung/Kühlung, Beleuchtung, Druckluft, Op- timierung von Prozessen oder betrieblichen Abläufen etc. umzusetzen und somit ein konkretes Einsparziel zu er- reichen«, erläutert Lisa Neusel, wissenschaftliche Mitar- beiterin am Fraunhofer ISI. Die Basis dafür bildet das im Rahmen der Pilotphase der »Lernenden EnergieEffizienz- Netzwerke« am Fraunhofer ISI entwickelte Netzwerkma- nagement-Konzept: ein einheitlicher Standard, über den sich die Erfolge der Netzwerke in puncto Energieeinspa- rung wissenschaftlich vergleichen lassen. So erhebt das dafür entwickelte Tool beispielsweise, wie viel CO2 durch die Maßnahmen eingespart wurde, in welcher Kategorie diese Maßnahmen einzuordnen sind und wie viel sie ge- kostet haben. Wichtig für den Erfolg ist vor allem der mo- derierte Austausch der Unternehmen. »Über den regel- mäßigen Peer-to-Peer-Austausch lernen die Betriebe, wo sie Energie einsparen können«, fasst Neusel zusammen. Das überzeugende Netzwerk-Konzept des Fraunhofer ISI griff der Bund auf – und rief im Jahr 2014 gemeinsam mit 22 Verbänden und Organisationen der Wirtschaft die »Initiative Energieeffizienz- und Klimaschutz-Netzwer- ke« ins Leben. Mittlerweile gehören ihr 346 Netzwerke mit über 3000 Unternehmen an. Die Umsetzungen der Initiative werden dabei seit 2014 durch ein jährliches frei- williges Monitoring durch das Fraunhofer ISI und das Forschungs- und Beratungsinstitut adelphi begleitet. 3 | 22 Wir haben uns lange gefragt, wie man das Thema Energieeffizienz in den Vorstands­ ebenen verankert. Das hat jetzt leider Putin für uns erledigt: Energie ist von einem klassischen Nebenthema irgendwo in der Ecke zu einem strategisch wichtigen Thema geworden.« Prof. Clemens Rohde, Fraunhofer ISI Aktueller denn je sind dabei für die Initiative auch Antworten auf die drängende Frage der schnellen Strom - sparmaßnahmen: Kurzfristig realisierbare, praxisnahe und gering-investive Maßnahmen helfen den Unterneh- men in einem Zeitraum von unter vier Wochen, ihren Energieverbrauch zu senken und Energiekostensteige- rungen abzumildern. »Hier bietet sich vor allem eine Änderung des Verbrauchsverhaltens an – also Maßnah- men, die ohne großen Invest möglich sind«, erläutert Prof. Clemens Rohde, Geschäftsfeldleiter am Fraunhofer ISI. Je nach Unternehmen sind um die fünf Prozent Einspa- rung – so Rohdes Hypothese – kurzfristig zu holen. »Mit- telfristig«, sagt Rohde, »müssen sich die Unternehmen jedoch strategisch mit dem Thema auseinandersetzen. Wir haben uns lange gefragt, wie man das Thema Ener- gieeffizienz in den Vorstandsebenen verankert. Das hat jetzt leider Putin für uns erledigt: Energie ist von einem Platzprobleme gibt es auch dort, wo man sie gar nicht vermuten würde: bei Offshore-Windanlagen im Meer. Schließlich gilt es auch Naturschutzge- biete, Schifffahrtsstraßen und Co. ent- sprechend zu berücksichtigen. »Es gibt kein anderes Land, das verhältnis- mäßig so große Ziele und so wenig Offshore-Windenergiefläche zur Ver- fügung hat wie Deutschland«, sagt Dr. Martin Dörenkämper, Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Windener- giesysteme IWES. »Die derzeit verfüg- baren Flächen könnten zwischen 50 und 60 Gigawatt Peak Leistung bringen, gebraucht werden für die politischen Ausbauziele mindestens 70 GW.« Nun könnte man die Windan- lagen einfach enger stellen, doch neh- men sie sich gegenseitig den Wind weg und die Windparks werden somit weniger effizient. Die große Frage: Wie weit kann man das treiben? Im Forschungsprojekt X-Wakes simulie- ren die Forschenden vom Fraunhofer IWES die Windströmungen unter ver- schiedenen Bedingungen. Dafür nut- zen sie auch ein klassisches Wettermo- dell, das für die Darstellung der Windparks erweitert wurde. zurück zu Seite 1 19

3 | 22 klassischen Nebenthema irgendwo in der Ecke zu einem strategisch wichtigen Thema geworden.« Strom zu sparen wird wichtig. Vielleicht noch wichtiger wird es werden, den erzeugten Strom möglichst gleich- mäßig zu nutzen. Dies bringt gleich einen doppelten Vorteil: Es wirkt sich nicht nur positiv auf die Bilanz des Unternehmens aus, sondern auch auf die Netzstabili- tät. Schließlich ist das Netz keineswegs ein Freund von Schwankungen. Genau diese allerdings rufen Wind- und Sonnenenergie hervor. Ein Ausbau der Flexibilisierung in puncto Energiebedarf bietet – zumindest teilweise – eine Lösung. Dafür braucht es Anreize. Einen bieten die Regelener- giemärkte: Groß-Energieverbraucher wie Aluminium- oder Papierhersteller können viel Geld sparen, wenn sie ihre Anlagen konform den netzbedingten Notwendig- keiten an- oder ausschalten – und das Stromnetz auf die- »In der Marktplattform finden die Unternehmen verschiedene Vermark­ tungsmöglichkeiten für ihre Flexibilitäten.« Can Kaymakci, Fraunhofer IPA se Weise stabilisieren. Dafür müssen jedoch zum einen die Unternehmen wissen, welche Flexibilitätsmöglich- keiten in ihrem Betrieb bestehen, zweitens müssen Netz- betreiber und Unternehmen miteinander kommunizieren. Möglich macht es eine Energiesynchronisationsplattform, die Forschende des Fraunhofer-Instituts für Produktions- technik und Automatisierung IPA gemeinsam mit Part- nern im Projekt SynErgie entwickelt haben. »Wir haben die Plattform einmal für produzierende Unternehmen konzipiert, einmal für die Vermittlung von Dienstleis- tungen der Marktseite«, fasst Can Kaymakci zusammen, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA. Auf der Unterneh- mensseite zeigt die Plattform den Firmen verschiedene Energieflexibilitätsmaßnamen auf: Sie integriert die Da- ten der Maschinen, identifiziert dynamisch Energiefle- xibilitäten in Produktionsprozessen und -infrastruktur und kommuniziert diese standardisiert. Zwar können diese Prozesse vollautomatisiert ablaufen, die Tendenz der Unternehmen geht jedoch dahin, die letzte Instanz beim Menschen zu belassen. Es lassen sich Produktionsstarts verschieben, Ma- schinenbelegungspläne oder Arbeitszeiten anpassen. zurück zu Seite 1 21

wann welche Fahrzeuge verfügbar sind und wie groß ihre Speicherkapazität ist. Zudem arbeiten wir daran, die entstehende Flexibilität in das Marktangebot zu integ- rieren, also die theoretisch berechnete Flexibilität auf- zuteilen auf die einzelnen, tatsächlich verfügbaren Fahr- zeuge.« Erste Demo-Quartiere sind in Suhl in Thüringen realisiert, ein größeres ist in Erfurt geplant, auch das Sha- red AC-Quartier ist im Aufbau. Dabei handelt es sich nicht um ein geschlossenes Labor, sondern um ein Projekt, das im Realleben durchgeführt wird – und das nun Schritt für Schritt der Vision entgegenwächst. Energiesystem mit eigenem »Bewusstsein«? Der Vision entgegen wächst auch der Anteil an Solar- energie: Um für den Winter gewappnet zu sein, instal- lieren zahlreiche Menschen Photovoltaikanlagen auf den Dächern ihrer Häuser – der Markt ist geleert. Doch wird das Energiesystem mit jeder PV-Anlage und mit jedem als Stromspeicher eingebundenen Elektro- auto dezentra ler und komplexer. Und damit auch wesentlich schwie- riger zu managen. »Er- zeugung und Verbrauch sind nicht mehr so leicht zu matchen wie bisher«, bestätigt André Baier, Projektleiter am Fraun- hofer I EE . »Viel meh r i s t ei ne hoc hg rad ige Automatisierung samt Künstlicher Intelligenz nötig, um die künftigen komplexen Prozesse in Echtzeit aufeinander abzustimmen.« Ähnlich sieht das der Bundesverband für Energie und Wasserwirtschaft BDEW: Er möchte die Energiewirtschaft zum Leitmarkt für Künstliche Intelligenz machen. Ein Leitsatz, den sich auch das Fraunhofer IEE auf die Fahnen geschrieben hat. So bringt es seine Expertise unter anderem in die For- schungsinitiative IC4CES ein, neben weiteren Akteuren aus Forschung, Wirtschaft, Gesellschaft und Politik. Die Vision: Das Energiesystem soll ein eigenes Bewusstsein für den Zustand seiner Anlagen erhalten, sodass es diese künftig autonom regeln kann. »Mithilfe der Künstlichen Intelligenz wollen wir kognitive Energiesysteme ermög- lichen, die wiederum dafür sorgen, dass die Energiever- sorgung auf Basis erneuerbarer Energien möglich, sicher und erschwinglich ist«, sagt Baier. Drei Schwerpunkte neh- men sich die Forscher dabei vor. Zum einen die Kognitiven Energienetze – also Energienetze, die in der immer kom- plexer werdenden Lage die Sicherheit weiterhin gewähr- »Wir wollen kognitive Energiesysteme, die dafür sorgen, dass die Energie­ versorgung auf Basis erneuerbarer Energien möglich, sicher und erschwinglich ist.« André Baier, Fraunhofer IEE 3 | 22 leisten können und dabei idealerweise nicht mehr Kosten verursachen. Zum zweiten die kognitive Energiesystem- technik und damit alles, was ans Netz angeschlossen wird, etwa Wechselrichter, die PV-Anlagen selbst sowie die Ener- gieverbraucher. Und drittens die kognitive Energiewirt- schaft: Wie lassen sich die fluktuierenden, dezentral er- zeugten Energiemengen vermarkten? Wie müssen neue Geschäftsmodelle aussehen, etwa die Interaktion zwischen Verbraucher oder Erzeuger und Stadtwerken? Was die Künstliche Intelligenz leisten kann, legten die Forschenden unter anderem am Beispiel des Energie- handels dar, genauer gesagt der Vermarktung von Wind- energie. »Wir konnten zeigen: Künstliche Intelligenz schafft es, die erzeugte Energie automatisiert am Markt zu plat- zieren. Dabei erzielt sie ähnlich gute Ergebnisse wie ein menschlicher Verkäufer, zum Teil sogar bessere«, konsta- tiert Baier. Das Forscherteam nutzt dazu verschiedene Ansätze von Künstlicher Intelligenz: Beim überwachten Lernen basieren die Entscheidungen des Systems auf ei- nem Satz von geregelten Daten, mit denen es ange- lernt wird; sinnvoll ist das etwa beim Erstellen von Prognosen von Wind- und Solarenergie. Beim Rein- forcement Learning dage- gen bewegt sich das System in einer fest vorgegebenen Umgebung. Das können beispielsweise verschiede- ne Stromleitungen sein, die mit einer bestimmten Aus- lastung betrieben werden. Fällt eine Leitung aus, er- kennt das System dies und versucht, die entsprechen- de Energiemenge sinnvoll auf andere Leitungen zu ver- teilen. Ist dies nicht möglich, müssen einzelne Anlagen ausgeschaltet oder heruntergeregelt werden – auch hier gibt es Ansätze, dies KI-basiert zu tun. Während die Künst- liche Intelligenz für Prognosen bereits einsatzfähig ist, braucht es für die automatisierte Netzsteuerung noch Forschungsarbeit. Denn: Aktuell sind KI-Lösungen noch Black-Box-Modelle – die Forschenden wissen also nicht, wie die Künstliche Intelligenz zu ihren Entscheidungen kommt. Gemeinsam mit der Universität Kassel wollen sie dies in den nächsten Jahren ändern. Das Bewusstsein für Energie ist gewachsen. Jetzt entsteht auch ein Bewusst- sein im Energiesystem. — Kann Künstliche Intelligenz unsere Energienetze vor Cyberattacken schützen? Hier geht’s zum Podcast: zurück zu Seite 1 23

3 | 22 Mit dem Deutschen Zukunftspreis ehrt der Bundespräsident seit 1997 Technik und Inno- vation, deren Anwen- dungsmöglichkeit ge- sichert ist und die den internationalen Stand der Forschung und Technik deutlich erwei- tern. Er wird jährlich vergeben und ist mit 250 000 Euro dotiert. Kompakt und leistungsstark ist das Innenleben der ChargeBox. Stolz präsentieren Dr. Thorsten Ochs, Dipl.-Ing. Thomas Speidel und Dipl.-Ing. Stefan Reichert (v.li.n.re.) ihre gemeinsam entwickelte Technologie. elektronik mit mehreren Wandlern, die stufenweise die Spannung anpassen und damit schnelles und sicheres Laden ermöglichen. Dabei setzten sie innovative Halb- leiter aus Siliziumkarbid ein, an denen am Institut schon seit einigen Jahren geforscht wird. Batteriespeicher, Integration und Industrialisierung nahm ADS-TEC in die Hand und überführte die Charge- Box 2020 in die Serienproduktion. In Sachsen entstand speziell dafür ein neuer Produktionsstandort mit meh- reren Dutzend Arbeitsplätzen. Mehr als 1000 Systeme wurden in Europa und den USA bisher ausgeliefert, die Auftragsbücher sind gut gefüllt. »Allein das Wachstums- potenzial im Schnelllademarkt ist wegen der rasanten Zunahme an E-Autos riesig. Wir rechnen mit der Ferti- gung von etwa 5000 Schnellladestationen pro Jahr, wes- halb wir die Kapazität unseres Werks in Dresden erneut ausgebaut haben«, meldet Thomas Speidel erfreut. Potenzial, einen wesentlichen Beitrag für eine resilientere Energieversorgung zu leisten. Basierte die Stromerzeu- gung früher auf planbaren Kapazitäts- und Verbrauchs- prognosen, wird es aufgrund der schwankenden Verfüg- barkeit der erneuerbaren Energien immer schwieriger, den volatilen Strombedarf zeitgenau abzudecken und auch Lastspitzen zu bedienen. Daher wächst die Bedeu- tung von lokalen Speicherlösungen als Flexibilitätspuf- fer. So könnten die ChargeBoxen auch in Industrie oder Privathaushalten Strom aus Photovoltaikanlagen oder Wärmepumpen zwischenspeichern und sie bei Bedarf abgeben. Intelligent vernetzt zu virtuellen Kraftwerken gäben sie damit eine hoffnungsvolle Antwort auf die der- zeit viel diskutierte Energieversorgungsfrage. Mit ihrer zukunftsweisenden Innovation waren ADS-TEC Energy und Fraunhofer unter den drei nominierten Finalisten des Deutschen Zukunftspreises 2022. Baustein für resiliente Energieversorgung Neben dem schnelleren Laden von E-Autos steht der ChargeBox noch eine weitaus größere Zukunft offen. Denn als Baustein eines künftigen Stromnetzes hat sie das — Hier geht‘s zum Podcast: zurück zu Seite 1 25 z n e d u P r a g s n A / s i e r p s t f n u k u Z r e h c s t u e D : o t o F

Frau Bas, ein schwieriges Jahr geht zu Ende. Was gibt Ihnen Hoffnung für 2023? Der Zusammenhalt in Deutschland ist stark. Er ist viel stärker, als wir oft glauben. Unsere Zivil- gesellschaft ist engagiert. Und unser Staat erweist sich als handlungsfähig. Auch wenn es darum geht, schwierige Entscheidungen zu treffen und mit alten Gewissheiten zu brechen. Wie in der Sicherheits- und Verteidigungs- oder in der Energiepolitik. Un- sere Fachkräfte sind hervorragend ausgebildet und unsere Wirtschaft ist innovativ – auch weil wir in der angewandten Forschung so gut aufgestellt sind. Das sage ich ausdrücklich auch an die Adresse der Fraunhofer-Gesellschaft. Wie kann Forschung helfen, die Herausforderungen zu meistern? Es ist klar, dass wir für die Energiewende neue Technologien brauchen. Auch zum Beispiel bei der Bewältigung des Klimawandels spielt die Forschung eine zentrale Rolle. Derzeit beschäftigt uns alle der Krieg in der Ukraine. Dabei kommt es vor allem auf entschlossene und verantwortungsvolle Politik an. Wenn man an die Abwehr von Cyberangriffen oder an die Sicherheit kritischer Infrastruktur denkt, spielt die Forschung eine wichtige Rolle. Ich war vor meiner Wahl zur Bundestagspräsidentin als stellvertretende Vorsitzende meiner SPD-Bundes- tagsfraktion zuständig für die Themen Gesundheit, Petitionen, Bildung und Forschung. Daher weiß ich natürlich, dass auch jenseits der aktuellen Krisen die Forschung von wachsender Bedeutung ist. Das Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schal- tungen und Systeme IMS in meinem Duisburger Wahlkreis leistet hervorragende Arbeit. Was ist gefährlicher für unsere Gesell- schaft: die Krisen – oder die Angst vor den Krisen? Angst ist bekanntlich ein schlechter Ratgeber. Sie lähmt uns und führt zu Fehlern. Zuversicht gibt uns die Kraft, Probleme zu lösen und Krisen zu überwinden. Das gilt besonders mit Blick auf die Ukraine. Putins Propaganda versucht gezielt, Ängs- te zu verbreiten und die Unterstützer der Ukraine zu spalten. Davon dürfen wir uns nicht einschüch- tern lassen. Zum Tag der Einheit haben Sie gesagt: »Unser Land hat die Fähigkeiten, große Transfor- mationen zu gestalten.« Was sind die Fähigkeiten – und wohin wird sich unser Land in zehn Jahren verändert haben? In zehn Jahren werden wir nachhaltiger und di- gitaler leben, wohnen, wirtschaften und uns fort- bewegen. Ich bin zuversichtlich, dass wir diese 3 | 22 Transformation gut bewältigen werden. In meiner Rede zum Tag der Deutschen Einheit standen mir die Umbrüche unserer jüngeren Vergangenheit vor Augen: einerseits der jahrzehntelange Struktur- wandel in meiner Heimat, dem Ruhrgebiet, und andererseits der Umbruch, den die Ostdeutschen nach der Wiedervereinigung gemeistert haben. Beide Fälle zeigen: Unser Land kann viel schaffen – wenn wir zusammenhalten und auch die unter- stützen, die von den Umbrüchen besonders hart getroffen werden. Wir haben so viele kluge Köpfe, so viel Kreativität, Flexibilität und Ideenreichtum in Deutschland! Welches Zukunftsthema würden Sie gerne bei Fraunhofer platzieren? Die Bundestagspräsidentin sollte sich mit öffentli- chen Empfehlungen im Ressort der Bildungsminis- terin zurückhalten. Aber da Sie gerade meine Rede zum Tag der Deutschen Einheit angesprochen ha- ben: Aus meiner Beschäftigung mit Ostdeutschland weiß ich, dass die Fraunhofer-Gesellschaft bald in der Lausitz einen Standort eröffnen wird. Mit Blick auf den notwendigen Strukturwandel halte ich das für genau den richtigen Ansatz. Soweit ich das überblicken kann, soll dort unter anderem zu Ener- giethemen geforscht werden. Auch an den anderen Fraunhofer-Instituten wird dazu natürlich viel ge- arbeitet. Es ist offensichtlich, dass wir genau diese Art von Forschung jetzt dringend brauchen. Ihr Vorgänger Wolfgang Schäuble hat in seiner letzten Rede als Bundestagspräsident ge- sagt: »Wissenschaftliche Erkenntnis allein ist noch keine Politik – und schon gar nicht demokratische Mehrheit.« Wird Wissenschaft in Zukunft mehr gefordert sein – und wie kann Ihnen die Forschung helfen, damit demokratische Mehrheiten schneller reagieren können? Ja, ich glaube, dass Forschung für unserer Gesell- schaft wichtiger wird und ihre Bedeutung durch die Pandemie sichtbarer geworden ist. Wolfgang Schäuble hat recht: Wissenschaft kann das Ringen um politische Mehrheiten nicht ersetzen. Es geht immer auch um Abwägungen, um Werte und um Interessen. Aufgabe von Parlament und Regierung ist es, auf Grundlage der wissenschaftlichen Er- kenntnisse politische Entscheidungen zu treffen und zu verantworten. Was das in der Praxis be- deutet, haben wir in der Pandemie sehr gut sehen können. Wissenschaftliche Erkenntnisse zum Coro- na-Virus mussten im politischen Prozess abgewo- gen werden unter anderem mit Freiheitsrechten der Bürgerinnen und Bürger. Hier kommt die politische Verantwortung ins Spiel. a p 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 zurück zu Seite 1 27

»Unsere Wirtschaft ist innovativ – auch weil wir in der angewandten Forschung so gut aufgestellt sind. Das sage ich ausdrücklich auch an die Adresse der Fraunhofer­ Gesellschaft.« Bärbel Bas Einschnitte können ein ganzes Leben lang prä- gen. Nicht alle haben die Kraft und die Mittel, um von selbst wieder auf die Beine zu kommen. Wir müssen alles daransetzen, in Krisenzeiten niemanden allein zu lassen. Wie verändert sich der Blick aufs Land, wenn man inzwischen zu »ihr da oben« gehört, nicht mehr zu »denen da unten«? Die eigene Herkunft prägt. Deswegen sehe ich mich selbst gar nicht als »eine da oben«. Trotzdem weiß ich natürlich, dass viele das so wahrnehmen. Und mir ist auch sehr bewusst, dass ich mittlerweile zu den Privilegierten in unserem Land gehöre. Wenn ich »ihr da oben« oder »ihr in Berlin« höre, macht mir das Sorgen. Diese Distanz ist nicht gut für unsere Demokra- tie. Darum unterstütze ich die Idee der Bürger- räte. Das ist ein neues Format der Beteiligung, bei dem geloste Bürgerinnen und Bürger aus allen Schichten und mit den unterschiedlichs- ten Hintergründen sich mit einem politischen Problem befassen und dem Bundestag Empfeh- lungen vorlegen. Ich glaube, dass dieses Format den gefühlten Abstand zwischen Politik und Menschen verringern kann. Mir selbst ist es außerdem wichtig, so viel Zeit wie möglich zu Hause mit den Duisburgerinnen und Duisbur- gern zu verbringen. Auf dem Fußballplatz, bei Straßenfesten, in Kleingärten, in der Eckkneipe oder bei Betriebsbesuchen. Dort suche ich das Gespräch mit den Menschen auf Augenhöhe ohne Barrieren. Diese Nähe zu den Bürgerinnen und Bürgern ist mir sehr wichtig. Ich durfte zweimal mit ihr spielen. Das war mir eine große Ehre – zumal ich damals ehrlich ge- sagt nicht in Topform war. Ich hab an Martina Voss-Tecklenburg nur gute Erinnerungen. Ich denke gern an die Spiele zurück und freue mich jetzt von Herzen über ihre Erfolge und unsere Begegnungen. Sie sind als Linksaußen aufgelaufen. Was haben Sie beim Fußball für die Politik gelernt? Ausdauer, Zielstrebigkeit und vor allem Team- geist und Freude an der Sache. Gemeinsam gewinnen, gemeinsam verlieren. In der Politik muss man sich natürlich auch mal gegen andere durchsetzen, aber ohne Zusammenhalt geht es nicht auf dem Platz und nicht im Plenarsaal. Sie fahren privat eine Harley Davidson Low Rider S. Was gibt Ihnen das Motorrad – und wann wird ein Elektromotor für Sie inter- essant? Ehrlich gesagt, ich möchte auf meiner Harley die PS auch spüren. Andererseits: Bei E-Autos wird mittlerweile ein klassischer Motor simu- liert. Sie haben mich doch vorhin nach meinen Wünschen an die Fraunhofer-Gesellschaft ge- fragt: Wenn Sie da was entwickeln könnten, würde ich mich vielleicht auch vom E-Motorrad überzeugen lassen. Was soll man am Ende der Amtszeit über die Bundestagspräsidentin Bas sagen? Fragen Sie mich in drei Jahren noch mal. Sie haben mit der Bundestrainerin Was sollen Ihre Freunde über die Martina Voss-Tecklenburg beim KBC Duisburg gespielt. Wie war sie als Spielerin? Bärbel sagen? Sie ist immer noch die Bärbel, die wir kennen. 3 | 22 Immer am Ball Bei der Antrittsreise nach Polen besucht die Bundestagspräsidentin eine Sozialeinrichtung in Warschau für ge - flüchtete ukrainische Kinder – und zeigt ihr Talent als Linksaußen auf dem Fußballplatz. Zugfahrt in den Krieg »In den zwölf Stunden im Nachtzug ist die Angst mitgereist, das gebe ich gerne zu«, berichtete Bärbel Bas nach ihrer Reise in die Ukraine. Grauen vor Augen Pries ter Andrij Halawin zeigte der Besucherin aus Berlin Fotos von Greueltaten in Butscha. 60 Quadratmeter misst das Büro der Bundestagspräsi- dentin – »damit ist es größer als meine Berliner Wohnung«, scherzt Bärbel Bas, »da lebe ich auf 42 Quadratmetern.« zurück zu Seite 1 29 , t h c a h c S g n n n e H i , s e c i v r e S o t o F E K N U F / n a c z Ö n i t t e r y a H , a p d e l l i a / n e t S s a e r d n A , a c a b A / m r o f n i r k U / o l v a P t u m h a B , k e h t o t o h p / l n e H r e d n a X i : s o t o F g a t n n o S m a D L I B / k c i n r a t S s l i e N , t a v i r p , g a t s e d n u B r e h c s t u e D e d e b / n r e d a S n o v a l i l l e t S

Reihenfolge der Wiedereinschaltung«, sagt Fehling-Ka- schek. »Das zu simulieren, kann mit normalen Computern mehrere Stunden Rechenleistung in Anspruch nehmen – Tendenz steigend.« Quantencomputer sieht Fehling-Ka- schek als Chance, solche Simulationsaufgaben zu optimie- ren. Wie das funktionieren kann, erforscht sie zusammen mit mehreren Projektpartnern am IBM Quantum System One in Ehningen bei Stuttgart, einem Quantencomputer, der seit 2021 exklusiv von der Fraunhofer-Gesellschaft und ihren Partnern genutzt werden kann. Ausprobieren, umdenken, weitermachen Wie also nähert man sich der Arbeit mit einem Quanten- computer? Zunächst übersetzte das Team in Zusammenar- beit mit der Universität Freiburg das zu simulierende Netz- werk gewissermaßen in »Quantisch«. Die Informationen sind in Quantencomputern in sogenannten Qubits gespei- chert. Quantenschaltungen, genannt Circuits, zwischen diesen Qubits sorgen dafür, dass der Quantencomputer die Aufgabe versteht. Da in heutigen Systemen für solch um- fassende Fragestellungen wie die des Fraunhofer EMI noch nicht genügend Qubits zur Verfügung stehen, reduzierten die Wissenschaftlerinnen das zu betrachtende Netzwerk zunächst auf wenige Parameter. Zudem behalfen sie sich mit einem Kniff, indem sie das Problem in kleinere Teilbe- reiche aufteilten: die Informationsübertragung zwischen den einzelnen »Knoten«, also Parametern, auf der einen Seite und die Störung und ihre Effekte auf der anderen. »Während sich der erste Teil schon gut auf dem Quan- tencomputer darstellen lässt, sehen wir, dass die Berech- nung der störungsbedingten Parameter noch weiterer Forschung bedarf«, berichtet Dr. Corinna Köpke, die neben Mirjam Fehling-Kaschek das Projekt verantwortet. Nun heißt es: umdenken und weiter ausprobieren. Im nächsten Schritt wollen die Forscherinnen eine andere Herange- hensweise testen und die Komplexität weiter reduzieren. Doch Ausprobieren und flexibles Denken sind nur der Anfang, solange die noch begrenzte Hardware die Forschung bremst. Köpke verdeutlicht: »Um mit dem ak- tuellen Ansatz eine realistische Anzahl an Knoten zu si- mulieren, bräuchten wir perspektivisch das Vielfache an miteinander verschränkten Qubits. Bis dahin ist es noch ein weiter Weg.« Fehling-Kaschek ergänzt: »Doch nur wenn wir es jetzt ausprobieren und diesen Weg beharr- lich beschreiten, rückt die Anwendung näher.« Beide For- scherinnen sind sich aber in einem Punkt völlig einig: Schon heute haben sie durch die Möglichkeit, an einem Quantencomputer zu forschen, enorm viel gelernt. Q uantencomputer könnten in einigen Jahren die Welt verändern, möglicherweise zumin- dest. Ganz sicher verändert die Beschäftigung mit ihnen und ihren Einsatzmöglichkeiten das Arbeiten – und zwar schon heute. Das zumindest ist eine Erfahrung, die Dr. Mirjam Fehling-Kaschek und Dr. Corinna Köpke gemacht haben. »Das Projekt hat viele Menschen zusammengebracht, die vorher kaum Berüh- rungspunkte hatten. Heute arbeiten wir nicht nur ab- teilungs-, sondern auch institutionsübergreifend enger zusammen, und alle profitieren von den unterschied- lichen Perspektiven und Kompetenzen«, berichtet Köpke. Selbst wenn es noch dauern mag, bis Quantencompu- ter praktische Probleme lösen können – die gemeinsame Forschung daran ist schon zukunftsweisend. Seit 2020 wird bei Fraunhofer nach konkreten Fragestellungen ge- sucht, die sich mit Quantencomputern effizienter und schneller lösen lassen. Konventionelle Rechner am Limit Dr. Mirjam Fehling-Kaschek, Physikerin am Fraunhofer- Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut EMI, wusste sofort: »Das muss ich ausprobieren!« Mit ihrem Team bewertet sie die Resilienz kritischer Infrastrukturen. Dafür nutzt sie Simulationen. Doch haben Netzwerke für Strom, Telekommunikation oder Wasserversorgung heute einen Komplexitätsgrad erreicht, der den Rechenaufwand dafür immer weiter in die Höhe treibt. »Wir betrachten Netzwerkszenarien, für die oft 10 000 und mehr Parameter relevant sind – von möglichen Kas- kadeneffekten über Reparaturzeiten bis hin zur optimalen k c o t S e b o d A / a v o k h s e p : o t o F zurück zu Seite 1 31

D ie Idee ist einfach, und sie ist über- zeugend. Nur die Technik dafür, die hatte ihre Schwierigkeiten – bis jetzt. In Malawi, einem der ärmsten Länder der Welt, sind während der Regenzeit viele Orte von jeder medizinischen Versorgung abgeschnit- ten. Medikamente, Blutkonserven und weiteres lebenswichtiges Material werden deshalb mithilfe von Drohnen aus der Luft geliefert. Die bis zu 40 Kilometer weiten Strecken führen über abgelege- nes, hügeliges Gebiet. Während des Fluges sind die Drohnen per Mobilfunk mit Piloten in der Ferne verbunden. Doch herkömmliche Mobilfunk-Tech- nik stößt dabei an ihre Grenzen. Immer wieder gibt es Verbindungsabbrüche, wie man sie in Deutschland aus der Bahn oder dem Auto kennt. Dann müssen die Drohnen auf teure Satellitenkommunika- tion umschalten. Fachleute des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich- Hertz-Institut, HHI in Berlin haben deshalb zusammen mit dem hessischen Drohnenher- steller Wingcopter und zwei weiteren Firmen in dem Ko- operationsprojekt SUCOM ein besonders zuverlässiges Mobil- funk-Modul entwickelt, das in den Drohnen verbaut wird. Von vier Flugfeldern starten in Malawi inzwischen die Drohnen. An jedem Flugfeld arbeitet ein sogenannter Fernpilot, der die aktuelle Route in den Computer eingibt und die Wegpunkte definiert, an denen sich die Droh- ne orientiert. Mit einem Klick wird die Mission auf die Drohne geladen. Die Daten fließen dafür vom Techniker zu einem Server in Kapstadt, dann weiter zum SUCOM-Modul und zum angeschlos- senen Flight-Controller auf der Drohne. Ein wei- terer Klick und die Drohne startet. Während des Fluges überwachen die Fernpiloten den Zustand der Drohne kontinuierlich und in Echtzeit. Sollte es einmal kritisch werden, weil Flugzeuge oder Hubschrauber den Weg kreuzen, können sie jeder- zeit über den Computer eingreifen. Für den Fall, dass die LTE-Verbindung einmal ausfällt, ist die Drohne zusätzlich mit Satelliten-Technik ausge- stattet. Der Nachteil: Der Funkverkehr zwischen Drohne und Bodenstation via Satellit ist langsam r e g i l e S o c l a F : o t o F »Dass man im Auto oder Zug kein Netz hat, heißt noch lange nicht, dass das auch für die SUCOM­ Drohne gilt.« Tom Piechotta, Fraunhofer HHI Diesem Erfolg ging Ursachen-Forschung voraus. »In der Fachwelt gibt es verschiedene Hypothesen zu der Frage, warum die Verbindung bei autono- men Drohnen, die über Mobilfunk kommunizie- ren, häufiger abbricht«, sagt Tom Piechotta, Ver- bundkoordinator des SUCOM-Projekts. Fehlende Netzabdeckung ist die eine Erklärung. Eine an- dere: In großer Höhe habe die Drohne Zugriff auf zu viele Mobilfunkmasten und wechsle immer wieder zwischen den Funkzel- len, was zum Abbruch führen könne. Gemeinsam mit seinem Team stellte Tom Piechotta hingegen fest, dass die Kom- munikationsprotokolle, mit denen Drohnen üblicherweise arbeiten, Probleme machen. Sie sind nicht robust genug für schwankende Datenraten. Manche Datenpakete kommen dann langsamer an, einige ge- hen ganz verloren. Für das SUCOM-Modul hat Tom Piechotta mit seinem Team neue Kommunikationsproto- kolle entwickelt, die gegenüber ruckelnden Datenströmen un- empfindlich sind. Die Verbin- dung zur Drohne steht, selbst wenn die Datenra- te schwankt. »Wir haben zum Vergleich eine Drohne mit einem kommerziell verfügbaren LTE- System und unserem SUCOM-Modul ausgestattet«, berichtet er. »Während die Verbindung über das herkömmliche Modul immer wieder abbrach, ar- beitete das SUCOM-Modul stabil.« Für ihn ein kla- rer Hinweis darauf, dass Störungen bei Drohnen nicht allein auf fehlende Netzabdeckung zurück- zuführen sind. Zu SUCOM gehört noch mehr. Um schnellen Da- tentransport zwischen dem Server in Kapstadt und der Drohne zu erreichen, wurden auch die Server-Hardware und -Software angepasst. Die Verbindung ist so schnell, dass die Drohnen in Malawi sogar mit dem Fraunhofer HHI in Deutschland quasi in Echtzeit kommunizieren können. Ein Datenpaket braucht via Mobil- 3 | 22 und teuer. Im Projekt SUCOM ist es dem Team um Tom Piechotta vom Fraunhofer HHI gelungen, die Kommunikation über LTE so stabil zu machen, dass es kaum mehr zu Unterbrechungen kommt. Fern piloten überwachen den Zustand der Drohne während des Fluges kontinuier- lich und in Echtzeit. zurück zu Seite 1 33

3 | 22 Staffellauf des Wissens Herr Prof. Michael Waidner, wie sind die kritischen Infra strukturen in Forschung und Wirtschaft in Deutschland in Bezug auf Cybersicherheit aufgestellt? zurück zu Seite 1 35

3 | 22 Staffellauf des Wissens Herr Prof. Michael Waidner, wie sind die kritischen Infra strukturen in Forschung und Wirtschaft in Deutschland in Bezug auf Cybersicherheit aufgestellt? zurück zu Seite 1 35

Verschlechterung der wirtschaftlichen Si- tuation vieler Menschen weltweit dürften eher zu einem Anstieg von Cyberangriffen führen. Cyberspionage ist sehr wahrscheinlich Aus dem Ausland sind diverse Cyber- angriffe auf kritische Infrastrukturen mit teilweise deutlichen Folgen für die Bevölkerung bekannt. Ein ukrainischer Stromversorger wurde 2015 Opfer einer vermutlich staatlich gelenkten russischen Gruppe; mehr als 200 000 Menschen wa- ren für Stunden ohne Strom. Der amerika- nische Pipelinebetreiber Colonial Pipeline wurde 2021 Opfer eines Ransomware-An- griffs. Die Attacke richtete sich zwar gegen die Verwaltungssysteme der Firma, aber Colonial Pipeline schaltete sicherheitshal- ber auch seine Pipelines ab; das Benzin wurde knapp, in 17 Staaten wurde der Notstand ausgerufen. Erfolgreiche Cyberangriffe auf kritische Infrastrukturen in Deutschland im Sinne der BSI-Kritisverordnung – also solche, deren Ausfall nachhaltig wirkende und dramatische Folgen für mehr als 500 000 Menschen hätte – wurden bislang noch nicht verzeichnet. Die Cybersicherheit sol- cher Infrastrukturen wurde vom Gesetz- geber stark reguliert, sodass sie gegen die üblichen, auf viele Opfer zugleich ausge- richteten Cyberangriffe vergleichsweise gut abgesichert sind. Es ist also eher un- wahrscheinlich, dass eine kritische Infra- struktur in Deutschland als zufälliges Op- fer einer Ransomware-Angriffswelle auf dramatische Weise ausfällt. Sehr wahr- scheinlich können staatlich gelenkte Cy- berkriminelle aber auch kritische Infra- strukturen in Deutschland erfolgreich angreifen. Wie BND-Vizepräsident Wolf- gang Wien im Juni 2022 berichtete, gibt es Hinweise, dass russische und chinesi- sche Gruppen kritische Online-Infrastruk- turen in Deutschland bereits unterwandert haben, um Daten zu stehlen oder um Schadsoftware in Position zu bringen. Ähn- liche Hinweise gibt es auch in den USA und Australien. Cyberspionage gegen kritische T I S r e f o h n u a r F : s : o o t t o o F F Prof. Michael Waidner leitet das Fraunhofer-Institut für Sichere Informationstechnologie SIT und das Nationale Forschungszentrum für angewandte Cybersicherheit ATHENE. Infrastrukturen ist also sehr wahrschein- lich. Cybersabotage halte ich für ebenso wahrscheinlich oder unwahrscheinlich wie Sabotage mit herkömmlichen, kine- tischen Mitteln. Die politischen Erwägun- gen dürften stets im Vordergrund stehen, nicht die Frage, welches Werkzeug zur Sa- botage eingesetzt wird. Wir müssen ambitionierter werden Die Cybersicherheitslage klingt also düs- ter – aber sie ist keineswegs hoffnungslos. Wir müssen allerdings insgesamt aktiver und ambitionierter werden. Die Cybersicherheit vieler Unterneh- men, Verwaltungen und Wissenschafts- einrichtungen in Deutschland bleibt weit hinter dem Stand der Technik zurück. Es fehlt an Motivation, Investitionsbereit- schaft, aber auch an Personal. Letzteres ist gerade in Deutschland besonders gefähr- lich, da hierzulande immer noch die Mei- nung vorherrscht, man sei dann am besten geschützt, wenn man alles selbst macht. In anderen Ländern wird sehr viel mehr auf Dienstleister und Cloudanbieter zu- rückgegriffen. Die Umsetzung allgemeiner Empfehlungen wie etwa die des Bundes- amts für Sicherheit in der Informations- technik (BSI) für den IT-Grundschutz wür- 3 | 22 de einen Großteil der heute erfolgreichen Angriffe zumindest für den Augenblick abblocken. Viel wäre auch erreichbar, wenn der Kreis der kritischen Infrastrukturen nach BSI-Kritisverordnung deutlich er- weitert würde. Wichtig ist zudem, dass wir in Deutsch- land zügig die Modernisierung unserer Cybersicherheitsarchitekturen angehen. Von enormer Bedeutung ist hier fraglos die Umsetzung des Zero-Trust-Paradig- mas. Bislang basiert die Cybersicherheit vieler Organisationen auf der Vorstellung, es gebe eine Art Vertrauensgrenze zwischen den eigenen Systemen und denen im Inter- net. Alles im Inneren ist vertrauenswürdig, alles außen ist verdächtig. Geschützt wird diese Grenze durch Firewalls und VPNs. Die Realität sieht aber völlig anders aus: Cyberangreifer schaffen es fast immer in das Innere, und damit ist diese Grenzzie- hung eigentlich sinnlos. Der Schutz muss also sehr viel umfassender und feingra- nularer organisiert werden. Auch hier hin- ken wir anderen Ländern hinterher. Bei- spielsweise hat die US-Bundesregierung alle Bundesbehörden darauf verpflichtet, bis Ende 2024 eine Zero-Trust-Architektur zu implementieren. Wie Zero Trust prak- tisch für Firmen, Behörden und Wissen- schaftseinrichtungen umgesetzt werden kann, ist derzeit eines der wichtigsten The- men in meinem Institut und im Nationa- len Forschungszentrum für angewandte Cybersicherheit ATHENE. In der nächsten Ausgabe: Wie sieht die IT-Forschungsein- richtung der Zukunft aus, wie gestaltet sich »New Work« in der Wissenschaft? zurück zu Seite 1 37

3 | 22 Welternährung Egal ob Bier, Eis oder Bacon – Elke Böhme von der Fraunhofer IMTE in Lü beck hilft Produkt- entwicklern aus der Lebens- mittelindustrie, die richtigen Algen-Zutaten zu finden. zurück zu Seite 1 39

Feines Pulver aus Mikroalgen, das es in sich hat. Dr. Ulrike Schmid- Staiger vom Fraunhofer IGB hat die Kunst der Algen-Kultivierung perfektioniert. Mehr Proteine? Oder lieber mehr Kohlenhydrate? Alles kein Problem. »Im Vergleich zu Landpflanzen haben unsere Algen einen um den Faktor 10 höheren Gehalt an ernährungsphy­ siologisch wertvollen Inhaltsstoffen.« Dr. Ulrike Schmid-Staiger, Fraunhofer IGB 3 | 22 A m 15. November ist der achtmilliardste Mensch geboren worden, so haben es die Vereinten Nationen errechnet. Die Weltbe- völkerung hat sich in nur 50 Jahren verdop- pelt. Auch wenn sich der Zuwachs mittlerweile deutlich verlangsamt hat: Prognostiziert sind für 2030 bereits 8,5 Milliarden Menschen, für 2050 9,7 Milliarden. Mehr Men- schen, das bedeutet: weniger Ackerland, weniger Trink- wasser und weniger Nahrung pro Kopf. Die Klimakrise führt dazu, dass sich die Mangelsituation zusehends verschärft. Durch Desertifikation, also die Verschlech- terung des Bodens bis zur Wüstenbildung, geht weltweit jedes Jahr Anbaufläche von der Größe Bayerns verloren. Bereits ein Drittel der fruchtbaren Böden ist in den ver- gangenen 40 Jahren unbrauchbar geworden – eine Folge der Überbeanspruchung als Acker- und Weideland. Dabei werden bis 2050 rund 70 Prozent mehr Lebensmittel be- nötigt als heute, schätzt die Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ). Helfen könnten Wasserorganismen, die ganz zu Unrecht vor allem in der europäischen Ernährungswirtschaft noch ein Nischen- dasein führen: Algen. Algen enthalten so viel Proteine wie Soja, reichlich wertvolle Ballast- und Mineralstoffe, außerdem Vitamin B12, das sonst nur in tierischen Produkten zu finden ist. Das Superfood braucht kein Frischwasser und kein Land. Es wächst nachhaltig im Meer oder wird als einzellige Mikroalge in meist geschlossenen Anlagen gezüchtet. Winzig, aber oho! Dr. Ulrike Schmid-Staiger ist Gruppenleiterin Algen- biotechnologie am Fraunhofer-Institut für Grenzflä- chen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. Seit 25 Jahren perfektioniert sie die Kultivierung von Mikro- algen in sogenannten Photobioreaktoren – transparente Wassertanks, in denen die Winzlinge mit Licht, CO2 und Nährstoffen versorgt werden, bis sie zu einer dicken grü- nen Suppe herangewachsen sind. Zurzeit widmet sich Schmid-Staiger vor allem der maritimen Phaeodactylum tricornutum, die besonders große Mengen an Omega- 3-Fettsäuren bilden kann, und der Chlorella vulgaris, die sich in Tümpeln und Brackwasser am wohlsten fühlt und sich durch einen hohen Proteingehalt von rund 50 Prozent auszeichnet. Die beiden Algen sind mit bloßem Auge im Wasser nicht zu erkennen. »Im Vergleich zu Landpflanzen haben unsere Algen einen um den Faktor 10 höheren Gehalt an ernährungsphysiologisch wert- vollen Inhaltsstoffen«, erklärt Schmid-Staiger stolz. Jede einzelne Zelle enthält den gleichen reichhaltigen Mix. Bei Landpflanzen gibt es hingegen Wurzeln, Stängel und Blätter. Die stoffliche Zusammensetzung der Zellen zurück zu Seite 1 41

3 | 22 Dr. Stephanie Mittermaier vom Fraunhofer IVV tastet sich mit der Dosis langsam voran. Bevor es zur Verkostung geht, probiert sie immer selbst. Algen haben einen hohen Protein gehalt von bis zu 50 % und verfügen über einen reichhaltigen Mix an Ballaststoffen, Fetten, Vitaminen und Mineral stoffen. zurück zu Seite 1 43

Problematisch bleibt aber die Farbe. Grünes Lachsfilet oder grüner Kabel­ jau? Nein, danke. 3 | 22 speichert. Wenn ich die Körner durch die Quetschmühle jage, liegt der Mehlkörper frei und ich kann ihn direkt nutzen. Bei Makroalgen sind die Proteine und Kohlen- hydrate jedoch fest in der Zellwand verankert, da sind zahlreiche Extraktionsschritte notwendig.« Die getrockneten Algenblätter müssen zunächst fein vermahlen werden, um die Zellen möglichst weit aufzu- schließen. Damit sich die wertvollen Inhaltsstoffe lösen, gibt Wimmer zum Algenpulver unter anderem Enzyme, die beispielsweise aus einer Schne- cke gewonnen werden, die Algen frisst und verstoffwechselt. Auch Salzsäure und Natronlauge nimmt er zu Hilfe. Das Pulver wird mehr- mals in Wasser eingeweicht, das Gemisch erwärmt und dabei ge- rührt. Die Inhaltsstoffe entwei- chen nach und nach ins Umge- bungswasser, dann wird immer wieder abzentrifugiert, also in einer Zentrifuge Feststoff und ge- haltvolle wässrige Lösung ge- trennt. So ist es Wimmer gelungen, Proteine aus Makroalgen mit einer hohen Ausbeute von bis zu 90 Prozent zu extrahieren, die er beispielsweise in vegane Wurst einbringt – mit großem Erfolg. Die Algen-Wurst schnitt bei den Testessern sogar besser ab als das Vergleichsprodukt aus Fleisch. Ein Leben für die Algen Wimmer »brennt für Algen«, wie er selbst sagt. Der studier- te Braumeister war einige Jahre als Berater für die Lebens- mittelindustrie tätig, bevor er als Verfahrensingenieur ans Fraunhofer IVV wechselte. In diversen Projekten hat er sich seitdem mit der Nutzung von Algen als Lebensmittel beschäftigt. Er entwickelte unter anderem einen gesunden Salzersatz aus Algen, den er in Snacks wie Chips oder Erd- nüssen einbrachte, und experimentierte mit Algen in Brot, Fleischwaren, Suppen oder Soßen. Seine Versuche, den fischigen Geschmack aus den Algen zu entfernen, blieben allerdings bisher erfolglos. »Entweder wir gewöhnen uns mehr daran, oder ich finde noch einen Weg, den herauszu- kriegen«, sagt er und lacht. »Es steckt so viel Gutes in Algen. Das ist ohne Frage eine wichtige Quelle für die Ernährung der Menschheit. Ich sehe wahnsinnige Chancen für die Lebensmittelindustrie«, ist er überzeugt. Und auch die Lebensmittelindustrie sieht das zu neh - mend so. Der Markt für vegane Produkte wächst rasant. In Deutschland wurden laut Statistischem Bundesamt im Jahr 2021 rund 62 Prozent mehr vegane Wurst, Schnitzel und Co. produziert als 2019. Fleischverzicht liegt vor Damit ich weiß, was ich meinen Probanden und unserem geschulten Panel aus Institutsmitarbeiterinnen und -mit- arbeitern antue«, sagt sie und lacht. Langfristig könnte sie sich auch gut vegane Fisch-Al- ternativen mit einer Kombination aus Algen- und Pflan- zenproteinen vorstellen. Hier ist der fischige Geschmack der Alge sogar ein Vorteil. Problematisch bleibt aber die Farbe. Grünes Lachsfilet oder grüner Kabeljau? Nein, dan- ke. »Vermutlich gehen wir eher in Richtung Thunfisch. Bräunlich könnten wir hinkriegen, weiß ist unmöglich.« Denn die Al- gen-Farbstoffe sind entweder selbst Proteine oder so eng damit verbunden, dass sie sich nicht ent- fernen lassen, ohne die Proteine zu beschädigen. Während Mikroalgen bisher vor allem als Nahrungsergän- zungsmittel in Tablettenform auf dem Markt sind, sind Lebensmit- telindustrie und Verbraucher mit den mehrzelligen maritimen Ma- kroalgen vertrauter. Die meisten kennen sie vom Sushi, wo die süß- lich-würzige Nori-Alge Reis und Fisch umhüllt. Doch während in der asiatischen Welt Algen seit Jahrhunderten fester Bestandteil des Speiseplans sind, tun sich die Euro- päer noch schwer mit dem Superfood. Als Salat oder als Suppe kommt es kaum auf den Tisch. Doch selbst Sushi- Verächter haben vermutlich schon Alge gegessen, ohne es zu merken: Alginat und Carrageen sind gebräuchliche Zusatzmittel. Alginat fungiert häufig als Gelatine-Ersatz, Carrageen sorgt beispielsweise in Sahne dafür, dass sie nicht »ausflockt« und sich das Fett gleichmäßig verteilt. Genau wie Mikroalgen haben Makroalgen einen ho- hen Proteingehalt von bis zu 50 Prozent und verfügen über einen reichhaltigen Mix an Ballaststoffen, Fetten, Vitaminen und Mineralstoffen wie Zink, Eisen, Selen, Kalium, Kalzium und vor allem Jod. Sie werden meistens an langen Seilen im Meer gezüchtet. Die Kultivierung ist sehr nachhaltig, da ausschließlich natürlich vorhandene Ressourcen genutzt werden. Ein Nachteil: Wegen jahres- zeitlicher und klimatischer Schwankungen sind Qualität und Gehalt der Inhaltsstoffe variabel. Auch ist die lebens- mitteltechnologische Verarbeitung aufwendiger als bei ihrer einzelligen Verwandtschaft aus dem Reaktor. Algen-Wurst? »Lecker«, sagen die Testesser Dominic Wimmer, Projektleiter Pilotanlagen am Fraun- hofer IVV, erklärt: »Gerste oder Weizen haben ihre Koh- lenhydrate und Proteine einfach in der Kornmitte ge- zurück zu Seite 1 45

3 | 22 wenn sie das Original möglichst perfekt imitieren.« Für vegane Burger-Pattys nutzt Böhme daher beispielsweise den Farbstoff der Rotalge. Er verfärbt sich in der heißen Pfanne von Rot zu Braun – genau wie man es von Rind- fleisch kennt. Für Überraschung sorgt bei den Workshop-Teilneh- mern regelmäßig das Algen-Eis. »Die meisten rechnen nicht damit, dass Alge auch nach Walnuss schmecken kann«, sagt sie. »Um ehrlich zu sein: Auch wir haben das nicht erwartet.« allem bei Jugendlichen und jungen Erwachsenen im Trend: Im Vergleich mit der Gesamtbevölkerung ernähren sich doppelt so viele 15- bis 29-Jährige vegetarisch (10,4 Pro- zent) oder vegan (2,3 Prozent). Als Flexitarier, die nur selten Fleisch essen, bezeichnen sich 25 Prozent. 44 Pro- zent wollen ihren Konsum künftig reduzieren, vor allem aus Klima- und Tierschutzgründen. Eine aktuelle Studie der Boston Consulting Group bestätigt, dass alternative Proteine auch für die Ernäh- rungssicherheit eine zentrale Rolle spielen können. Das in- vestierte Kapital ist von einer Milliarde Dollar im Jahr 2019 auf fünf Milliarden im Jahr 2021 gestiegen – eine jährliche Zuwachsrate von 124 Prozent. Viele Produktentwickler in der Lebensmittelindustrie ha- ben jedoch noch keine klare Vorstellung davon, wie sie den Rohstoff Alge einsetzen kön- nen. Ihnen helfen Elke Böhme und ihr Team an der Fraun- hofer-Einrichtung für Indivi- dualisierte und Zellbasierte Medizintechnik IMTE in Lü- beck. Die Lebensmitteltechno- login bietet regelmäßig Algen- Workshops für die Ernährungswirtschaft an, um zu zeigen, wie vielfältig die Meerespflanzen verwendet werden kön- nen. Gelegentlich wird sie auch von Unternehmen kon- taktiert, die »irgendwas mit Algen« machen wollen. Dann klärt sie über verschiedene Algenarten auf, informiert über ihre Besonderheiten und über Anwendungsmöglichkeiten. Eine Verkostung gehört immer mit zum Programm. »Wenn man die Produkte schmecken, riechen und fühlen kann, ist es für die Workshop-Teilnehmer viel leichter, eigene Ideen zu entwickeln«, sagt Böhme. Böhme ist überzeugt: Ernährungsgewohn­ heiten lassen sich ändern. Man muss nur mehr Berührungs­ punkte mit Alternativ­ produkten schaffen. Aber auch Alge pur ver- kosten Böhme und ihre Kol- leginnen und Kollegen, um die Produktentwickler aus der Industrie mit der Geschmacks- vielfalt vertraut zu machen. Besonders gut kommen die leicht würzigen Meeresspa- ghetti an, die Himanthalia elongata. »Wir kochen sie ein- fach zusammen mit normalen Spaghetti. So braucht man we- niger Salz und das Essen wird gleich gesünder«, erzählt Böh- me. Sie ist überzeugt: Ernäh- rungsgewohnheiten lassen sich ändern. Man muss nur mehr Berührungspunkte mit Alternativprodukten schaf- fen. Bei ihr selbst hat es schon gewirkt: Auch privat kocht Böhme inzwischen häufiger mit Algen. Ihre Lieblingsalge? »Die Nori, weil sie so schön dunkellila ist. Und wunderbar nach Umami schmeckt.« Es ist angerichtet: Meeresspaghetti mit ihrem bekannteren Pendant aus Hartweizengrieß. Spart Salz und ist gesund. Algen mit Walnuss-Geschmack Die Bandbreite möglicher Anwendungen ist groß. Böhme hat Algenextrakte schon in Müsliriegel ein- gearbeitet, in Barbecue-Soße, in Brotaufstriche, Bier, Limonade oder Gin. »Gerade arbeiten wir an einem vega- nen Bacon, für den wir den würzigen Umami-Geschmack der Rotalge nutzen. Um den noch besser herauszuziehen, haben wir ein spezielles Verfahren entwickelt«, erzählt sie. Es gebe zwar auch eine Alge, die gebraten genau wie Bacon schmecke. »Aber das Aussehen und die Konsistenz sind natürlich anders. Von den Verbraucherinnen und Ver- brauchern werden Ersatzprodukte bisher nur akzeptiert, ) 4 ( o t o h p k c o t s i : s o t o F zurück zu Seite 1 47

1 Mrd. Tonnen Soja und Mais werden weltweit jährlich verfüttert. 3 Die Anbauflächen für Soja sind inzwischen dreimal so groß wie Deutschland. 320 M i l l i o n e n To n n e n Steigender Fleischkonsum Der weltweite Fleischkonsum hat sich in den vergangenen 20 Jahren mehr als verdoppelt und erreichte 320 Millionen Tonnen im Jahr 2018. 3 | 22 70 % Etwa 70 Prozent der gesamten globalen land- wirtschaftlichen Nutz- fläche werden für die Viehzucht verwendet. Auf einem Hektar Ackerland können pro Jahr etwa 3,5 Tonnen Sojabohnen produziert werden. Für die gleiche Menge Mikroalgen werden nur 20 Quadratmeter Fläche benötigt – der Protein- gehalt ist vergleichbar. 10 000 m2 (1 ha) 3,5 t Soja 20 m2 3,5 t Algen Die Alge macht‘s Ein Glas Milch am Tag für gesunde Knochen? Das war gestern. Diverse Algenarten sind wesentlich kalziumreicher. Auch andere Mineralstoffe enthalten sie in Hülle und Fülle, außerdem reichlich Vitamine, Ballaststoffe, Proteine, Kohlenhydrate und Fette. (Alle Angaben in mg/100 g) 5 Meeres- spaghetti , 3 5 1 , 1 0 6 1 , , 1 2 3 0 , , 1 1 1 Meersalat Vollmilch Rinderhüftsteak Spinat Bananen Linsen Legende: Kalzium Kalium Magnesium Natrium Eisen 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 , ) Z G I ( t i e b r a n e m m a s u Z e l a n o i t a n r e t n I r ü f t f a h c s l l e s e G e h c s t u e D , 1 2 0 2 s a l t a h c s i e l F : n e l l e u Q / l l i r G t r e b o R j , t c e o r P n u o N : n e n o i t a r t s u l l I f o y t e i c o S l a y o R . e g d i r b m a C . d e h t 6 . s d o o F f o n o i t i s o p m o C s ’ n o s i w o d d W d n a e c n a C c M . l a t e A R e c n a C c M , e c n a r F , n o i t i r t u n o t y h P e d t u t i t s n I e f l i h r e g n u h t l e W , ) D C C N U ( g n u d l i b n e t s ü W r e d g n u f p m ä k e B r u z n e n o i t a N e t n e r e V i , 2 2 0 2 s t c e p s o r P n o i t a u p o P d l r o W O N U l , 3 9 9 1 ; y r t s i m e h C zurück zu Seite 1 49

Komplexe Funktionalität auf kleinstem Raum: Das verkapselte Mikroimplan- tat beinhaltet eine acht - lagige Platine. Hand nach einer Querschnittslähmung. Alle drei unterscheiden sich nicht nur in der Aufgabe des Implantats, sondern auch im Aufwand: von zwei einzusetzenden Mikroimplantaten bei der Tinnitus-Unter- drückung bis zu zwölf zur Bewegungs-In- itiierung in Arm und Hand. Geladen wird induktiv und adaptiv Bei der Tinnitus-Applikation etwa stimu- liert jeweils ein Implantat über das Run- de Fenster die Cochlea, moduliert so die Aktivitäten im Hörnerv und »verrauscht« dadurch das Phantomgeräusch, das rund zehn Millionen Menschen in Deutschland den Alltag verleidet und nachts nicht zur Ruhe kommen lässt. Um gastrointestinale Motilitätsstörungen zu beheben, wie sie etwa nach Bauchraum-Operationen, bei Querschnittsgelähmten oder Diabetikern vorkommen, erfassen die strategisch im Magen-Darm-Trakt verteilten Implanta- te die Aktivität jeweils eines Abschnitts und kommunizieren dieses Wissen an eine zentrale Steuereinheit. Diese wertet die Datenlage aus und motiviert dann die entsprechenden Implantate zur Stimula- tion des gesamten Intestinaltraktes und bewirkt so einen möglichst störungsfreien Verdauungsprozess. n g i s e d d l i W : s o t o F Besonders komplex ist die partielle Wie- derherstellung der Greiffunktion. Dafür können bis zu zwölf Muskeln des Unter- arms von dem Mikroimplantat-Netzwerk in koordinierter Weise stimuliert und so bis zu acht Handbewegungen wiederher- gestellt werden. Der Patient kontrolliert die Handbewegung dabei über ein Eye- Tracking-System: Vorab definierte Au- gen-, Lid- und Kopfbewegungen geben Befehle an die zentrale Steuereinheit wei- ter, die dann entsprechend das Implantat- Netzwerk orchestriert. »Mit der Entwicklung dieses Netzwerks haben wir gleich mehrere Vorteile geschaf- fen«, erläutert Elektroingenieur Roman Ruff, Gruppenleiter am Fraunhofer IBMT. Einer davon sei die höhere Biostabilität: »Sensoren und Aktoren wurden direkt in das Gehäuse integriert, sodass wir auf emp- findliche Kabelverbindungen verzichten konnten.« Die Implantate interagieren stattdessen über Funk und Infrarot mit- einander. Als Netzwerk können sie auch komplexe Vorgänge im Körper therapieren und größere Organe stimulieren. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schal- tungen IIS hat für die Implantate einen stark miniaturisierten ASIC (»application- specific integrated circuit«, also eine anwendungsspezifische integrierte Schal- tung) entwickelt, der zum einen Biosigna- le etwa aus dem Armmuskel oder aus Ma- gen und Darm erfassen und weitergeben, aber auch die dazu passende Elektro- stimulation initiieren kann. Ein Flaschenhals für Weiterentwick- lungen von » Bioelectronics« ist die Ener- gieversorgung. Batterien brauchen Platz und müssen regelmäßig ausgetauscht wer- den, was bei einem Verbund aus Implan- taten besonders aufwendig ist, da jedes einzelne Gerät hier je nach Beanspruchung einen individuellen Energieverbrauch hat. INTAKT setzt auf induktive Ladung. Eine zentrale Steuereinheit liefert dem Implan- tat-Netzwerk so für 24 Stunden zuverläs- sig Energie. Diese Basisstation kann der Patient bei den drei aktuellen Anwen- dungsfeldern entweder als eine Arm- oder Bauchmanschette oder als Ear-Wearable hinter dem Ohr tragen. »Die Energiever- sorgung von außen ermöglicht eine Lang- zeitstabilität des Implantat-Verbunds«, be- tont Klaus-Peter Hoffmann. »Außerdem 3 | 22 erfolgt die Energieversorgung adaptiv – jedes einzelne Implantat erhält nur genau die Strommenge, die es benötigt.« Für den Notfall ist eine Batterie als Pufferspeicher im Implantat integriert, die ebenfalls re- gelmäßig induktiv geladen wird. Auch soziale, rechtliche und ethische Implikationen der Mensch-Technik-Inter- aktion waren Bestandteil der Arbeit des Innovationsclusters. Etwa die Herausfor- derung, wie Plattformen und Bedienele- mente gestaltet werden müssen, damit sie nicht nur die unterschiedlichen Anwen- dungsbereiche abbilden, sondern auch so- wohl vom Arzt als auch vom Patienten selbst einfach und sicher bedient werden können. Oder die Frage, welche Umge- bungsdaten beim Eye Tracking aufgezeich- net, verarbeitet und gespeichert werden müssen. Klaus-Peter Hoffmann nennt als Beispiel das Tragen der Brille beim Sauna- gang: »Auch dort muss ein Betroffener ja greifen können, um sich an- und auszu- ziehen oder das Handtuch auszubreiten. Doch was ist mit den Persönlichkeitsrech- ten der anderen Saunabesucher?« Fragen, auf die es keine einfachen Antworten gibt. Erste präklinische Tests und Proban- denstudien haben bereits gezeigt, dass die bislang entwickelten INTAKT-Applikatio- nen funktionieren. Dennoch ist es ein wei- ter Weg, bis diese tatsächlich in Menschen implantiert werden können. In Sachen Miniaturisierung der jetzt bereits nur noch daumennagelgroßen Mi- kroimplantate sieht der Koordinator des Fraunhofer IBMT noch Spielraum. Es gilt, insbesondere Partner aus der Industrie zu gewinnen, um den mit INTAKT eingeschla- genen Weg weiter zu beschreiten. INTAKT Verbundpartner: Fraun hofer IBMT, Universitätsmedizin Mainz, Universitätsklinikum Heidelberg, Charité-Universitätsmedizin Berlin, Fraunhofer IIS, Universität Mannheim, TU Ilmenau, GeSiM Gesellschaft für Silizium-Mikrosysteme mbH, inomed Medizintechnik GmbH, Soventec GmbH, Wilddesign GmbH & Co.KG, IL Metronic Sensortechnik GmbH, Glück Engineering GmbH, Würth Elektronik GmbH & Co.KG, VARTA Microbattery GmbH, Heraeus Medical Components, CeramTec-ETEC GmbH, CTC advanced GmbH zurück zu Seite 1 51

D ie Krise wirkt als Katalysator: Ohne die Pandemie hätte die Di- gitalisierung nicht ihren großen Durchbruch erlebt. Homeoffice oder der Videotermin beim Arzt wären weiter Zukunftsmusik. Nun stellen der Krieg in der Ukraine und die durch den Hitzesommer – endlich! – wieder ins Bewusstsein gerückte Klimakrise unseren Way of Life auf die Pro- be. Im gesättigten Deutschland haben wir Er- nährungsengpässe in anderen Regionen lange mit einem Schulterzucken abgetan. Jetzt sind auch hierzulande Grundnahrungsmittel teu- rer geworden und manches Supermarktregal bleibt temporär leer. Die Nachfrage nach Be- triebsstoffen wie Dünger ist hoch, die Liefer- ketten sind brüchig. Es greift alles ineinander: Fehlt Energie, können keine Gebinde wie etwa Glasflaschen produziert werden. Es ist Zeit für ein Umdenken in der Land- wirtschaft, in der Lebensmittelproduktion und -distribution. Die gute Nachricht: Die nötige Technik ist vorhanden. Wir müssen nur an- fangen, sie in größerem Maßstab zu nutzen. Und uns nicht mit Lamenti aufhalten. Stand- punkt-Diskussionen wie »Öko versus Konven- tionell« helfen nicht weiter. Stattdessen können wir uns sowohl aus ökologischer wie geopoli- tischer Sicht darauf einigen: Am besten ist, was mit möglichst wenig Ressourcenaufwand in der Region kultiviert und auch direkt dort konsumiert wird. Dies gilt universell – egal, ob in Oberbayern, Australien oder Afrika. Drei Trends, die aus meiner Sicht unsere Versorgung mit Nahrungsmitteln revolutio- nieren werden: Smart Farming: Mittels Teilflächenmanage- ment können Landwirte genauer ermitteln und steuern, was sie wann wo in welcher Men- ge säen, bewässern und düngen. Auch in der Bekämpfung von Unkraut oder Schädlingen hilft GPS-gesteuerte Hightech: Selbstfahrende Hack-Roboter rücken aus und gleichen den Mangel an Arbeitskräften aus. Besser noch: Der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln kann signifikant reduziert werden. Satellitenbilder dokumentieren den Erntefortschritt – bis hin zu volkswirtschaftlich relevanten Analysen wie den vom BayWa-Tochterunternehmen VISTA in diesem Sommer gelieferten Ertrags- prognosen für die Ukraine. Ländern mit schwierigen klimatischen Grundvoraussetzungen eröffnet Smart Far- ming die Möglichkeit, unabhängiger von Im- 3 | 22 porten zu werden. Hier wie dort lohnt es zu hinterfragen, ob die bisherigen Anbaumetho- den und -gebiete, die Fruchtfolgen und Lager- techniken zukunftsfähig sind. Ein Ergebnis der geowissenschaftlichen Analysen könnte sein, dass wir künftig mehr Soja oder Sorghum auf deutschen Feldern heranreifen sehen. Agri-PV: Mit Agri-Photovoltaik (Agri-PV) schlagen wir mehrere Fliegen mit einer Klap- pe: Die Nutzung von Ackerflächen für die Stromproduktion senkt den Flächenverbrauch und steigert gleichzeitig die Produktivität im Pflanzenanbau. Ein Beispiel aus Gelsdorf in Rheinland-Pfalz, wo BayWa r.e. und das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesyste- me ISE ein Forschungsprojekt initiiert haben: Mittels über den Baumkronen platzierter PV- Module werden Äpfel gezielt beschattet und vor Starkregen, Hagel oder Frost geschützt. Der erzeugte Strom kann direkt für elektri- sche, autonom fahrende Ackerhelfer oder die Bewässerungstechnik genutzt werden. Alternative Proteine: Alternative pflanzen- basierte oder auf Zellbasis produzierte Protei- ne werden als Ergänzung zu den klassischen Fleisch-, Fisch- und Milchprodukten zuneh- mend attraktiv. Sie können oft lokal und ganz- jährig produziert werden. Ein schönes Beispiel ist das Berliner Start- up VEgg, das ein veganes Ei samt Schale pro- duziert. Noch weiter geht ein junger Mann aus Österreich, den ich Anfang 2022 auf dem von uns veranstalteten »Future Food«-Kongress kennenlernen durfte: Sein Unternehmen Kern Tec erzeugt Backzutaten und Öle aus Apriko- sen- und Kirschkernen, die sonst im Müll lan- den. Reste-Essen im wahrsten Sinne des Wor- tes. Oder investorentauglicher ausgedrückt: Upcycling und Zero Waste. Was soll jetzt noch schiefgehen bei der Re- volution der Lebensmittelproduktion und -ver- sorgung? Zwei Faktoren könnten das Momen- tum abschwächen: Zum einen unsere Bequem- lichkeit und mangelnde Weitsicht. Zum ande- ren fürchte ich die Regulierungswut der deut- schen und europäischen Behörden. Da kann ein Entrepreneur noch so viele Unterstützer für sein Projekt gewinnen – steht ihm nur ein einzelner Beamter im Weg, ist schnell Schluss mit Innovation. Nur gut, wenn man – wie die VEgg-Mitgründerin Verónica García-Arteaga – einen Intermediär wie die Fraunhofer- Gesellschaft an seiner Seite weiß. 53 »Am besten ist, was mit möglichst wenig Ressourcen- aufwand in der Region kultiviert und auch direkt dort konsumiert wird.« Prof. Klaus Josef Lutz ist seit 2008 Vorstandsvor- sitzender der BayWa AG. Lutz trieb sowohl die Di- versifizierung als auch die Internationalisierung des 1923 gegründeten Unter- nehmens voran, bewahrte aber gleichzeitig dessen historische Wurzeln. Zuvor sanierte der 64-Jäh- rige als Geschäftsführer unter anderem den Süd- deutschen Verlag, in dem die »Süddeutsche Zei- tung« erscheint. Lutz ist seit 2021 Präsident der Industrie- und Handels- kammer für München und Oberbayern. Der geborene Münchner studierte Rechtswissen- schaften an der Ludwig- Maximilians-Universität und wurde 1987 als Rechtsanwalt zugelassen. 2013 wurde Lutz von der Technischen Universität München zum Honorar- professor für Betriebswirt- schaftslehre des Genos- senschaftswesens bestellt. zurück zu Seite 1 s e g a m i o g a m i / m u g r a / r e g r e b n E s a m o h T : i o t o F

3 | 22 Zusammen statt alleine: Die virtuellen Stellvertreter beim Event sollen auch interagieren können. »Wir entwickeln die Technologie für das YouTube im Metaverse.« Dr. Frank Dittrich, TU Chemnitz; Initiator und Projektkoordinator von SocialSTAGE-VR e M r e y a l P y d a e R , R V - E G A T S a l i c o S : n e n o i t a r t s u l l I Zentrum des Projekts stehen das möglichst reale optische und akustische Erlebnis sowie die sozia- le Komponente: Über Avatare als digitale Stellver- treter im virtuellen Raum sollen die Gäste mit- einander reden, lachen und feiern können. Aus einer Vielzahl von Fotoaufnahmen wurde bereits eine virtuelle 3D-Kopie vom Zuschauer- raum des Opernhauses in Chemnitz als Bühne für erste Erprobungsstudien erstellt. Damit dort eines Tages Live-Inhalte gezeigt werden können, müssen diese optisch wie akustisch so aufgezeichnet und wiedergegeben werden, dass es sich für den Zu- schauer möglichst real anfühlt. An dieser Stelle kommt das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS zum Einsatz, das bereits seit Be- ginn Projektpartner bei SocialSTAGE-VR ist. Maximale Immersion als Ziel Das Fraunhofer IIS-Team bringt sich unter an- derem durch Aufzeichnungstechnologien mit- tels sogenannter Lichtfeldkameras ein, die alle Lichtstrahlen innerhalb eines Raumes festhalten. »Dieser Content wird von uns so aufbereitet, dass zurück zu Seite 1 55

Dittrich. »Das erwies sich in der Pandemie für viele als echter Nachteil.« Die Berliner Elektropop-Band MiA. etwa hatte just zu Beginn der Pandemie ihr Album »Limbo« auf den Markt gebracht und mit dem ersten Lockdown keine Möglichkeit mehr, es live zu präsentieren. Die Künstler behalfen sich mit einem Streaming-Event, das Bassist Robert »Bob« Schütze im Rückblick für »sehr gelungen« hält, das aber dennoch nur an der obersten Schicht der technischen Möglichkeiten kratz- te. »Die virtuelle Ebene bietet Künstlern und Fans so viele neue Chancen. Das macht sie nicht zum Ersatz des Live-Konzerts, aber doch zu einer spannenden Ergänzung.« Das Fraunhofer IIS arbeitet auch an anderen Pro- jekten, die sich damit beschäftigen, Kulturereignisse virtuell zugänglich zu machen. Doch für Joachim Keinert nimmt SocialSTAGE-VR durch die Fokussie- rung auf das Nutzererlebnis eine besondere Stellung ein: »In dem Projekt geht es darum, eine optimale Lösung für Menschen zu entwickeln, anstatt den Men- schen an die technischen Möglichkeiten anzupassen.« Aufgabe ist deshalb, die Technologie so niedrig- schwellig zu gestalten, dass sie für jede Art Kultur- erlebnis – von der New Yorker MET bis hin zum Heavy- Metal-Festival in Wacken –, von jedem Veranstalter und auch von jedem Nutzer ganz einfach verwendet werden kann. Projektinitiator Frank Dittrich denkt hier groß: »Wir entwi- ckeln die Technologie für das YouTube im Metaverse.« »Ich sehe SocialSTAGE-VR eher als eine zusätzliche Chance für die Kul- turbranche, ihre Inhalte sehr viel wei- ter und anders zu verbreiten als bisher«, bestätigt Frank Dittrich. Als Avatar am Event teilnehmen könnten dann auch jene Menschen, die ein gesundheitli- ches Handicap haben oder die Anrei- se scheuen, denen die Musik zu laut ist oder die keine Lust haben, sich in der Menschenmenge vor der Bühne zu drängeln. Wenn Avatare winken, klatschen und einander zuzwinkern »Die Teilnahme über Avatare ermög- licht aber nicht nur eine räumliche, sondern auch eine soziale Präsenz«, führt Dittrich weiter aus. Geplant ist, dass die künstlichen Abbilder auch die reale Gestik und Mimik widerspiegeln können – dank Erkennungstechnolo- gien in den VR-Brillen. Dass diese Ge- räte sich zum technologischen Must- have der nahen Zukunft entwickeln, »ist die Wette, die wir mit SocialSTAGE- VR eingehen«, sagt Dittrich. Er setzt darauf, dass Virtu- al Reality zunächst die Arbeitswelt durchdringen wird und der Büromensch von morgen mit einer VR-Brille an nicht real vorhandenen Bildschirmen arbeitet oder sich per Telepräsenz mit örtlich entfernten Kollegen in virtuellen Räumen trifft. Einen weiteren Techno- logie-Schub erwartet er zudem von der Vision eines künftigen Metaverse, in dem Menschen sich auch pri- vat virtuell treffen, um miteinander shoppen zu gehen oder eben auch Kulturevents zu besuchen. e M r e y a l P y d a e R , R V - E G A T S a l i c o S : n e n o i t a r t s u l l I 3 | 22 Die Frage, ob sie sich die Nutzung einer VR-Brille vorstellen könn- ten, bejahten 2018 nur 17 % der Deutschen. 2021 war dieser Anteil bereits auf 41 % gestiegen. (Bitkom, 2022) Der Umsatz mit VR-Inhalten in Deutschland wird laut Prognose von 40 Millionen Euro (2019) auf 280 Millionen Euro (2024) steigen. (Deloitte) Mit 79 % wird VR-Tech- nologie in Deutschland am häufigsten für Computer- und Videospiele genutzt, gefolgt von Filmen (67%), das Bereisen von Orten (63%) und Musikkonzerten (41%). (Bitkom, 2022) »Wir wollen eine Lösung für Menschen entwickeln, anstatt den Menschen an die technischen Möglichkeiten anzupassen.« Dr. Joachim Keinert, Elektroingenieur und Gruppenleiter »Computational Imaging & Algorithms« beim Fraun- hofer IIS, Erlangen Anreise im virtuellen Fan-Bus MiA.-Bassist Bob Schütze begeistert sich indes für die Vielzahl von kreati- ven Optionen, die für Künstler in So- cialSTAGE-VR schlummern. Die Gäste könnten beispielsweise als Avatare auf die Bühne oder in den Backstage-Be- reich kommen. Oder das Event über unterschiedliche Soundkanäle den eigenen Präferenzen anpassen. Auch die Stunden vor dem Konzert – üb- licherweise mit Anreise und Warten gefüllt – könnten zum sozialen Hap- pening werden, etwa über einen virtu- ellen Fan-Bus oder ein digitales »Meet & Greet« mit den Künstlern. »Es geht nicht darum, dem Publikum die Reali- tät vorzugaukeln, sondern darum, die physikalischen Grenzen zu sprengen und neue Dimensionen zu entdecken«, betont er. »Nur so entsteht ein Produkt, das neben dem Live-Entertainment seine Berechtigung hat.« Im November geht MiA. nun erst einmal auf Kon- zerttournee – 26 Auftritte auf ganz realen Bühnen in Deutschland, Österreich und der Schweiz und vor ganz realen Menschen. Danach aber will Schütze sich un- bedingt weiter einbringen bei SocialSTAGE-VR. Sein Credo ist, lieber früh mitzumischen, anstatt später einem Trend hinterherzulaufen. »Vor 25 Jahren waren wir einer der Vorreiter in der deutschen Popmusik. Das trauen wir uns nun auch auf einer anderen Ebene zu.« zurück zu Seite 1 57

3 | 22 Dr. Mathias Vukelic, Fraunhofer IAO, bei der Vorbereitung eines Versuchs mit EEG (Elektroenze- phalographie). »Wir wollen Technik so gestalten, dass sie den Menschen unterstützt.« Dr. Mathias Vukelic L ächelt mein Gegenüber – oder zeigt es mir die Zähne? Kneift es die Augen vor Lachen zusammen – oder blickt es streng? Etwa jeder 100. Mensch in Deutschland tut sich schwer, die eigenen Gefühle und die anderer Men- schen zu deuten und einzuschätzen. Das ist nur ein Aspekt, welcher Autistinnen und Autisten im Alltag schwerfällt. Das Fehlen eines Gefühls fürs Gefühl be- einträchtigt – je nach individueller Ausprägung– das Privatleben; es erschwert aber auch ganz erheblich den Zugang zum Arbeitsleben. Mit dem Projekt UFO will der Neuroarbeitswissenschaftler Dr. Mathias Vu- kelic vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO Menschen, die an Autismus erkrankt sind, die zwischenmenschliche Interaktion gerade im beruflichen Alltag erleichtern. Um die Kommunikationshürden zu reduzieren, entwickelt das Projektteam einen virtuellen, geschütz- ten Trainingsraum, der durch eine Virtual-Reality- (VR-)Brille zugänglich ist. Dort werden zunächst Hirn- signale und andere physiologische Prozesse des Probanden durch unterschiedliche Neuro- und Phy- sio-Sensorik gemessen: veränderte Hirn- und Herz- aktivität, das Schwitzen der Haut. Anschließend sollen die physiologischen Messun- gen in spürbare Impulse als taktiles Feedback »über- setzt« werden. Die Emotionen werden über ein spe- zielles Armband oder einen Handschuh mithilfe von Frequenzmustern oder Vibrationen an den Nutzer übermittelt. »Bei dem taktilen Feedback fokussieren wir uns zunächst auf das Ziel, die eigenen Gefühle in positiv oder negativ einzuordnen«, erläutert Vukelic. Bereits diese Einordnung sei für Autistinnen und Autisten normalerweise nicht möglich. Da sie aber die Grund- lage bildet, um später in sozialen Interaktionen auch komplexere Gefühle wie Angst, Wut oder Freude vor- nehmen zu können, sei sie aktuell das primäre Ziel. An der Frage, in welcher Stärke der Druck später ausgeübt wird, um jeweils ein positives oder negati- ves Gefühl zu signalisieren, forschen Vukelic und sein Team aktuell noch. »Unser Ziel ist ein Kalibrations- verfahren zu entwickeln, das von jeder Person als an- genehm empfunden wird«, so Vukelic. Emotionen tasten Die Idee, taktile Interfaces für die Mensch-Technik-In- teraktion zu nutzen, besteht laut Vukelic schon länger im Team. Blinde Menschen können beispielsweise be- reits durch einen vibrierenden Navigationsgürtel mit eingebautem Kompass leichter von A nach B kommen. »Unsere Überlegung ist nun, ob man einen taktilen Sinn auch nutzen kann, um Emotionen zu erlernen und zu verarbeiten, also einen Sinn für Emotionen zu bekommen«, so Vukelic. Die Methode, Hirnsignale zu messen und durch ein Feedback die eigene Hirnakti- vität zu beeinflussen, könnte außer bei Autismus bei- spielsweise auch bei Krankheiten wie Depressionen oder Angststörungen zum Einsatz kommen. »Wir wollen Technik so gestalten, dass sie den Men- schen unterstützt, dass sie ihm assistiert, wo Bedarf ist, und dementsprechend die individuellen Bedürf- nisse und Fähigkeiten dann auch fördern kann.«Unter diesem Leitsatz arbeitet Vukelic seit 2015 am Fraun- hofer IAO in Stuttgart. Nach seinem Studium der Bio- medizinischen Technik mit Schwerpunkt Neural En- gineering und seiner Promotion im Bereich der Neuro- und Verhaltenswissenschaften mit Schwer- punkt Brain-Computer-Interfaces leitet Vukelic seit 2021 die Abteilung »Applied Neurocognitive Systems«. Dort erforscht er mit seinem Team, wie Mensch und Technik effizient zusammenarbeiten können. Vukelics Anliegen ist dabei, »angewandte Neurowissenschaften so als neue Forschungsdisziplin zu etablieren, dass sie für die Arbeitswissenschaft genutzt werden können.« Besseres Verständnis ist das Ziel – und zwar in beide Richtungen Neben Vukelic und seinem Team vom Fraunhofer IAO sind die Abteilungen »Lehren und Lernen mit intelli- genten Systemen LLiS«, »Berufspädagogik mit Schwer- punkt Technikdidaktik BPT«, sowie das Institut für Arbeitswissenschaft und Technologiemanagement IAT der Universität Stuttgart bei UFO mit an Bord. Vonseiten der Entwicklung und Industrie beteiligen sich die Sensovo GmbH, ein Start-up für »Wearable Technologies«, die mit taktilem Feedback ausgestattet sind, NIRx Medizintechnik GmbH, ein Hersteller für Neurosensorik, sowie die auticon GmbH, eine IT-Bera- tung, die Autistinnen und Autisten als IT-Consultants beschäftigt. Langfristig will Vukelic mit seinem »Herzenspro- jekt« Menschen aus dem Autismus-Spektrum ermög- lichen, durch Technologie neben den eigenen auch die Emotionen von Mitmenschen deuten zu können. Die Entwicklung eines entsprechenden VR-Moduls könnte aber nicht nur Betroffenen den Zugang zu den Gefühlen ihrer Mitmenschen ermöglichen, sondern auch andersherum. Und ausgerechnet die oft als emo- tionslos beschriebene Technik würde zu mehr Ver- ständnis und einem sensibleren Umgang miteinander führen. zurück zu Seite 1 59 O A I r e f o h n u a r F / k a y s r a P a l l i m d u L , i l e r u t c i p n a p / e k h c s z t a n n y S l i e n K : s o t o F

3 | 22 Fadendünn und weit verzweigt: Das Pilzmyzel ist in der Lage, organisches Material zu durchwachsen und zu zersetzen. zurück zu Seite 1 61 k c o t S e b o d A / k o o s m o d u : o t o F

Pilz bei der Arbeit: Das Substrat wird vom Myzel durchwachsen und dadurch hart. Durch Trocknung wird der Pilz am Ende abgetötet. 3 | 22 Die Bau- und Immobilien- branche ist für 38 Prozent der globalen Kohlendioxid- Emissionen verantwortlich. fähigkeit herauszufinden. Auch wenn die For- schungsreihe klein war, zeigte sich bereits, dass das Myzel-Material in Sachen Wärmedämmung zumindest mit der Holzfaserplatte mithalten kann. Im Vergleich zum Polystyrol – bislang der meist- verwendete Baustoff in der Gebäudedämmung – schneidet die Pilzvariante schlechter ab. Doch Vieres ist optimistisch: »Ich kann mir gut vorstel- len, dass sich durch andere Grundsubstanzen und Verarbeitungsweisen die Wärmeleitfähigkeit wei- ter verbessern lässt.« Dafür hätte eine Pilzdämmung andere Vor- teile. Der ökologische Fußabdruck beispielsweise dürfte vermutlich erfreulich klein sein. Das Pilz- material kann – anders als die üblichen Verbund- werkstoffe – beim Gebäudeabriss einfach recycelt oder aber kompostiert werden. Und sobald eine automatisierte und energieeffiziente Herstellung möglich ist, könnte es auch relativ preisgünstig produziert werden, schließlich handelt es sich bei den Grundstoffen um Abfallware. »Wir testen vie- le unterschiedliche, aber möglichst regional an- fallende Reststoffe, um eine gewisse Ressourcen- sicherheit zu ermöglichen«, sagt Krayer. In Workshops haben die beiden Forscherinnen das Material bereits der Industrie vorgestellt; vor allem die Baubranche, aber auch Automobilher- steller oder Unternehmen aus der Verpackungs- produktion haben Interesse gezeigt. »Sie durften es in Wasser tauchen oder versuchen, es anzu- zünden oder zu brechen«, erzählt Krayer. Denn »man muss den Pilzwerkstoff in der Hand gehabt und erlebt haben, um sein Potenzial zu verstehen«. In den Workshops wurde aber auch deutlich, dass die Industrie zwingend verbindliche Kennwerte des neuen Baustoffs etwa zu Stabilität, Brandver- halten oder hydrophoben Eigenschaften braucht, um einen Einsatz abschätzen zu können. »Das wollen wir in Folgeprojekten angehen«, sagt Kray- er. Doch auch wenn noch viele Fragen offen sind: »Der Anfang ist gemacht.« Häuser aus Pilz auf Mond und Mars? Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wurden aus dem Wurzelwerk der Pilze bereits Ziegelsteine hergestellt, die nicht nur deutlich leichter sind als die Klassiker aus Lehm oder Kalksandstein, sondern auch deutlich haltba- rer. Die Weltraumbehörde NASA forscht daran, inwiefern Häuser aus Pilzmaterial bei einer künftigen Besiedelung von Mond und Mars von Nutzen sein könnten. Denn Pilzsporen nehmen kaum Platz beim Transport durchs All ein, könn- ten aber am Zielort durch Wasser wieder zum Leben erweckt werden und beispielsweise um ein Gerüst herum wachsen. Auf Erden hat das US-amerikanische Start-up Ecovative bereits ein komplettes Häuschen aus Trockenpilz-Plat- ten hergestellt: Das »Tiny Mushroom House« ist wasserdicht, brandsicher, frei von Chemikalien und vollständig kompostierbar. Schlumpfhausen für Menschen, quasi. Auch innerhalb von Fraunhofer forschen meh- rere Institute aus unterschiedlichen Richtungen an Innovationen in diesem Bereich. In einem Fraunhofer-internen Kooperationsprojekt fand bereits eine Vernetzung dieser Institute statt. Ge- meinsam möchte man das Thema nun vorantrei- ben. Sich vernetzen und dadurch weiterwachsen: Auch diese Erfolgsstrategie kann man von Pilzen lernen. o t o h p k c o t s i / k n a r f o t o r , o t o h p k c o t s i / z d o g r a e g , k c o t S e b o d A / k c i l b r e l a t i g d i , k c o t S e b o d A , T H C I S M U r e f o h n u a r F : s o t o F Pilze gibt es auf der Erde seit mehr als 800 Millionen Jahren. Würde man alle in den obersten zehn Zenti- metern der Erde ent- haltenen Pilzfäden an- einanderreihen, würde die Länge dem halben Durchmesser unserer Galaxis entsprechen. Penicillin und viele an- dere Antibiotika sind Stoffwechselprodukte von Pilzen. Mehr Pilze als Ameisen: Nach Pflanzen und Bakterien bilden Pilze die drittgrößte Biomasse auf der Erde. zurück zu Seite 1 63

3 | 22 Die Forschenden vom Fraun- hofer IOSB-AST beleuchten im Projekt EnerQuant noch einen weiteren Use Case: Sie entwickeln ein Modell, wie die E-Fahrzeugflotte eines kleineren Flughafens unter Berücksichtigung verschie- dener Faktoren mit mög- lichst viel selbst erzeugtem Sonnenstrom geladen wer- den kann. — Mehr dazu im Podcast: Aktuell sind laut Bundesnetzagentur 219 536 Kraftwerke im deutschen Stromnetz. damentalmodell auf gleich mehreren Syste- men. Neben einem IBM Quantum System One mit 27 Qubits, der Fraunhofer und Partnern im baden-württembergischen Ehningen ex- klusiv zur Verfügung steht, und weiteren IBM- Systemen in den USA führen sie ihre Berech- nungen auf einem sogenannten Quantum Annealer aus, der zwar mit 5000 weitaus mehr Qubits hat, sich aber nur für ganz bestimmte Optimierungsaufgaben eignet. In Kürze soll zudem ein von der Universität Heidelberg ent- wickelter Quantensimulator auf Basis von ul- trakalten Atomen hinzukommen, der mit so- genannten Qudits rechnet. Vom Qubit zum Qudit Im Vergleich zu Qubits, die alle Zustände zwi- schen 0 und 1 annehmen können, kann ein Qudit etwa die Werte 0, 1, 2, 3, 4 und mehr so- wie alle Überlagerungen dazwischen abbilden. So lassen sich mehr Daten mit weniger Infor- mationseinheiten verarbeiten. »Das Bench- marking verschiedener Quantenrechner, aber auch der Vergleich zu klassischen Computern, ist neben der Modellierung ein wichtiges Ziel in unserem Projekt«, betont Halffmann. Der Haken an der Arbeit mit Quantencom- putern ist momentan noch, dass heutige Sys- k c o t S e b o d A / 9 t s e r r o F : o t o F teme schlichtweg nicht so viele Qubits mit einem so hohen Vernetzungsgrad bieten, wie man sie für die Abbildung komplexer Modelle bräuch- te. Also musste das Forscherteam umdenken und formulierte das Modell von vornherein mathematisch so um, dass möglichst wenig Qubits und Vernetzung untereinander nötig sind. »Das funktionierte so gut, dass wir die Übertragung unseres virtuellen Modells auf die physischen Qubits signifikant verbessern konnten«, freut sich der Mathematiker. Damit ist eine Grundlage für weitere Forschungsschrit- te gelegt. Bis zur praktischen Anwendung sind davon noch viele zu gehen – und wie bei kaum einem anderen Thema sind dabei gute Wegge- fährten wichtig, wie die EnerQuant-Partner wissen: Während sich das Fraunhofer ITWM zusammen mit dem Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST des Schwesterinstituts Fraunhofer IOSB um die Modellierung küm- mert, steuert die Universität Heidelberg den Prototypen des Quantensimulators bei. Das Start-up JoS QUANTUM GmbH entwickelt die Algorithmik weiter und stellt die Software-Platt- form, in die die gemeinsamen Ergebnisse ein- fließen. So stehen sie nach Projektende auch der Industrie zur Verfügung und leisten dann hoffentlich ihren Beitrag zur zukünftigen Ver- sorgungssicherheit in Deutschland. zurück zu Seite 1 65

C arbonfaserverstärkte Kompo- nenten finden sich überall, wo stabile und gleichzeitig leich- te Materialien gefragt sind, im Verkehrsbereich, bei Windkraftanla- gen oder Sportgeräten. Was aber passiert mit diesen Bauteilen, wenn sie am Ende ihres Lebenszyklus angekommen sind? Bislang: meist nichts. Das will das Fraun- hofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV ändern und setzt dafür die Nassvliestechnologie ein. Wie Zellulosefasern, so können mit- hilfe des Verfahrens auch Carbonfasern in Wasser vereinzelt, ausgerichtet und dann entwässert werden. Dadurch entstehen Vliesstoff-Rollwaren, die beispielsweise im Automotive-Bereich wiederverwendet werden können. Die Materialien, die wir als »Carbon« kennen, sind Verbundwerkstoffe: Carbon- fasern eingebettet in einer Kunststoffma- trix. Dafür gab es bisher kaum Recycling- möglichkeiten. »Wir haben dieses Jahr eine weltweite Carbonfaser-Kapazität von 170 000 Tonnen. Davon wird nur etwa ein Zwanzigstel recycelt«, sagt Michael Sauer vom Fraunhofer IGCV. Zwar existieren thermische und chemische Verfahren, um die Carbonfasern aus der Kunststoffmat- rix zurückzugewinnen. Doch ein Großteil dieser Carbonfasern ist zu kurz, um in den etablierten Verarbeitungsmethoden ver- wertet werden zu können. Beim Nassvlies- verfahren jedoch gilt: Je kürzer die Fasern, desto unproblematischer – und somit lässt sich der bislang nicht nutzbare Anteil der recycelten Carbonfasern als Rohstoff er- schließen. Das hilft auch dabei, den CO2- Fußabdruck des Materials zu senken. »Weil man so viel Energie in die Faserherstellung gesteckt hat, ergibt es Sinn, diese wertvol- le Faser wiederzuverwenden«, erklärt Vi- oletta Schumm vom Fraunhofer IGCV. Die Prozesse in der Nassvliesanlage ähneln der einer Papierherstellungsan lage. Der ent- scheidende Unterschied: nicht Papierfasern sondern recycelte Carbonfasern werden verarbeitet. Materialwissenschaftler Sauer und Textilwissenschaftlerin Schumm betrei- ben inzwischen die einzige Papiermaschi- ne innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft. Beim Bau dieser Maschine konnten die beiden zwar auf viel vorhandenes Know- how aus der Papierindustrie zurückgreifen, mussten aber wegen der recycelten Car- bonfasern auch spezifische Probleme lösen. »Das ist einfach ein ›Abfall‹ mit verschie- denen Faserlängen, mit Verunreinigungen, die Fasern sind oft Bündel und können nur schwer dispergiert werden«, beschreibt Sauer die Herausforderung. Um auch mit »Wir haben dieses Jahr eine welt - weite Carbonfaser- Kapazität von 170 000 Tonnen. Davon wird nur etwa ein Zwanzigs- tel recycelt.« Michael Sauer, Fraunhofer IGCV schwierigem Ausgangsmaterial homogene Vliese herstellen zu können, wurde die Nassvliesanlage des Fraunhofer IGCV be- sonders flexibel und robust ausgelegt. So kann sie eine große Bandbreite an Faser- längen verarbeiten und auch mit einer gro- ßen Faserlängenverteilung innerhalb einer Charge umgehen. Um zu verhindern, dass die elektrisch leitfähigen Carbonfasern zu Kurzschlüssen führen, ist die Maschine komplett gekapselt. Die Vliesstoffe aus recycelten Carbonfa- sern, die auf der Nassvliesanlage produ- ziert werden, können in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden. Sogar Strukturbauteile wie beispielsweise Mo- torhauben oder Unterböden lassen sich mit einem Komposit aus den recycelten Carbonfasern und einer Kunststoffmat- rix formen. »Unsere Produkte übertref- fen jedes neue glasfaserverstärkte Bauteil. Obwohl das so kurze Carbonfasern sind, sind es eben immer noch Carbonfasern«, erklärt Sauer. V C G I r e f o h n u a r F / r y a m h o r t S n a i t s i r h C : s o t o F 3 | 22 Ein Vorzug ist die genaue Einstellbar- keit des Vlieses. So können nicht nur Dicke und Dichte des Materials festgelegt werden, sondern auch die elektrische Leitfähigkeit. Letzteres geschieht über die Orientierung der Fasern, die in der Längsrichtung viel besser leiten als quer zur Faserachse. So ist von sich stark überkreuzenden, also iso- tropen Vliesstoffen bis hin zu nahezu pa- rallelen Fasern theoretisch eine stufenlose Einstellung der Leitfähigkeit des Endma- terials möglich. Hier liegt die aktuelle He- rausforderung darin, die Ausrichtung der Fasern in der Praxis exakt umzusetzen. Ein langfristiges Ziel der Anlagentechnik ist es nicht nur, Vliese aus jenen Abfällen herzustellen, mit denen bisher niemand umgehen konnte. Ein weiterer Schwer- punkt liegt darauf, Produkte mit sehr niedrigem Bindergehalt zu entwickeln. Dadurch bleiben die Materialien fließfä- hig und können leichter in normale Pro- duktionsprozesse integriert werden, um bisherige Werkstoffe zu ersetzen. Im Vergleich zu einer klassischen Pa- piermaschine ist die Anlage des Fraunho- fer IGCV mit ihrer Breite von 61 Zentime- tern und einer Prozessgeschwindigkeit von maximal 30 Metern pro Minute relativ klein. Das erlaubt den Forscherinnen und Forschern, auch geringe Mengen an Mus- terfasern zu verarbeiten. »Das Schöne an der Anlage ist, dass ein Industriekunde mit seinem neuen Fasermaterial zu uns kommen kann und wir innerhalb eines Tages die Prozessierbarkeit testen können«, sagt Schumm. Obwohl der Fokus der An- lagentechnik auf der Verarbeitung von Carbonfasern liegt, kann die Maschine grundsätzlich mit jedem Fasermaterial umgehen. Neben recycelten Carbonfasern haben Schumm und Sauer auch schon Zel- lulose oder verschiedene Polymerfasern verarbeitet. Während der Corona-Pande- mie wurde die Papiermaschine des Fraun- hofer IGCV zur Herstellung von FFP2-Mas- ken eingesetzt. — Hier geht’s zum Podcast: zurück zu Seite 1 67

ÖSTERREICH Smarter Holztransport Warentransporte bündeln und über ein intelligentes Netzwerk effizient und nachhaltig ans Ziel bringen wollen die Forschenden der Fraunhofer Aus- tria Research GmbH. Dafür entwickel- ten sie im Pilotprojekt »Smarte Holzlo- gistik« kollaborativ nutzbare Transport- gebinde. Diese Spezialcontainer sind intermodal, also auf Straßen, Schienen oder Wasserwegen einsetzbar. Ver- schiedene Sensoren und GPS machen das Gebinde smart, die eingebaute Wiegetechnik verhindert ein Überla- den und erleichtert das Umschlagen. Die Container können sowohl Baumstämme als auch andere Holz- produkte wie Hackschnitzel transpor- tieren, was hilft, Leerfahrten zu ver- meiden. Füllung und Transport des Ge- bindes werden über einen Marktplatz und eine offene IT-Plattform gesteu- ert, die nach ökologischen Aspekten und Kosten den optimalen intermoda- len Transportweg vorschlägt – vom Wald bis zum verarbeitenden Betrieb. Die smarte Holzlogistik macht es mög- lich, etwa 30 000 der derzeit 100 000 Tonnen Transportvolumen in einer Bei- spielregion von der Straße auf die Bahn zu verlagern. Die Lkw-Fahrten zu den Umschlag- punkten konnten mithilfe der innovativen Container stark reduziert werden. NEUSEELAND Grünen Wasserstoff industriell nutzbar machen Neue Katalysatoren machen die Wasser- elektrolyse nachhaltiger und effizienter. einen raschen und zuverlässigen Ab- lauf der Sauerstoff-Entwicklungsreak- tion gewährleisten. Entscheidend ist, dass diese Katalysatoren keine selte- nen Edelmetalle wie Iridium enthalten, sondern Nickel und Mangan – zwei gut verfügbare und kostengünstige Metalle. Die Forscherinnen und For- scher wollen die junge Technologie der AEM-Elektrolyse, die das Potenzial bislang gängiger Verfahren vereint, schnell zur Marktreife bringen und in- dustriell nutzbar machen. Grüner Was- serstoff durch Elektrolyse aus regene- rativem Strom ist eine Schlüsseltechno- logie der Energiewende. An einem ressourcenschonenden und kostengünstigen Verfahren der Was- serelektrolyse arbeiten Wissenschaft- lerinnen und Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Fertigungs- technik und Angewandte Materialfor- schung IFAM, der Uni Bayreuth und dreier neuseeländischer Universitäten im Projekt HighHy. Dafür entwickelt das Projektteam hochaktive Kataly- satoren für die AEM-Elektrolyse, die 3 | 22 Welche Maßnahmen sind sinnvoll? Eine digitale Plattform hilft bei der Entscheidungsfindung. FRANKREICH Epidemien wirkungsvoll bekämpfen Aus der Corona-Pandemie lernen will das deutsch-französische Projekt AIO- LOS. Die Forscherinnen und Forscher entwickeln eine digitale Plattform, die frühzeitig neue, von Atemwegserre- gern ausgelöste Epidemien erkennt, deren Ausbreitung überwacht und durch die Simulierung verschiedenster Interventionsmöglichkeiten länder- übergreifende Entscheidungen zu ge- eigneten Maßnahmen unterstützt. Die Fraunhofer-Institute für Trans- lationale Medizin und Pharmakologie ITMP und für Algorithmen und Wissen- schaftliches Rechnen SCAI leiten zu- sammen mit dem französischen Phar- makonzern Sanofi das Projekt, dem weitere Industriepartner angehören. Die multidimensionale Plattform soll Echtzeitdaten sehr unterschiedlicher Quellen integrieren, vorrangig aus dem Gesundheitswesen, aber auch aus Text- und Medienanalysen, demographi- schen und Mobilitätsdaten, sogar Ab- wasseranalysen. Modelle basierend auf Künstlicher Intelligenz entwickeln dar- aus plausible Epidemieszenarien, die ein Dashboard visualisiert. Die Erkennt- nisse sollen privaten und öffentlichen Interessengruppen helfen, wissen- schaftliche, wirtschaftliche und politi- sche Vorkehrungen zu treffen und wirk- same Gegenmaßnahmen einzuleiten. zurück zu Seite 1 69 k c o t S e b o d A , s e g a m i p d d / o n a b a F a i i l i c e C , ) 3 ( o t o h p k c o t s i e l l a / e r i o N t e B , c i j a B n a v I , k r a m y a k s c O : s o t o F

E s ist Conchitas Jungfernflug mit Rucksack. Im Sturzflug saust sie im Tierpark Berlin dicht über eine Besuchergruppe. Umgeschnallt auf Rücken und Brust trägt die Königsgeier- dame einen Tiersensor mit Kamera, die Luftaufnahmen macht. Bald soll eine zusätzlich eingebaute Künstliche Intelligenz (KI) die Aufnahmen auch auswerten und das Ergebnis als kurze Textnachricht in Echtzeit an einen Satelliten senden. Kombiniert mit GPS-Daten könnte so eine Botschaft von frei fliegenden Geiern aus der Savanne dann beispielsweise lauten: »Viele tote Zebras auf dem Boden, bitte dringend prüfen.« Geier sind oft die Ers- ten, die verendete Tiere entdecken. Sie fressen das Aas und stoppen so die Ver- breitung von Wildtier- krankheiten, bevor sie von toten auf lebendige Tiere übergehen kön- nen. Im Ökosystem der Savanne agieren Geier damit als eine Art Ge- sundheitspolizei. Sie zeigen aber auch Ver- änderungen an: Sind in einem sonst trocke- nen Gebiet plötzlich wieder Wasser und Tiere vorhanden? Oder sind umgekehrt die Wildbestände einge- brochen und die Geier fliegen ein Gebiet gar nicht mehr an? Ist eine Tierseuche aus- gebrochen, erkennbar an vielen Kadavern auf kleiner Fläche? 3 | 22 Institut für Integrierte Schaltungen IIS zusammen mit dem Leibniz-Institut für Zoo- und Wildtierforschung (IZW) seit Anfang 2022 ein innovatives Tiersender-System, das deutlich mehr Sensoren enthält und frühzeitig Umwelt- veränderungen anzeigen kann. Ein Teil ist auf dem Rü- cken der Geier angebracht und nimmt unter anderem Positions- und Beschleunigungsdaten auf. Das andere Modul verfügt über die Kamera und sitzt daher vorne auf der Brust. Beide Teile arbeiten eng zusammen. Nina Holzer leitet das Projekt GAIA-Sat-IoT im Ver- bundvorhaben »Künstliche Intelligenz und IoT Techno- logie mit Satellitenkommunikation im Artenschutz und der Wildtierforschung« am Fraunhofer IIS. Die Gruppenleiterin für Multimodal Human Sensing hält es für ent- scheidend, »dass eine KI die Daten direkt auf dem Sensor verarbei- tet. So ist keine Cloud mehr nötig. Es ist somit ein echtes Frühwarn- system, mit dem öko- logische Krisenherde wie Krankheitsaus- brü che, Vergiftungen oder andere Verände- rungen im Ökosystem sofort erkannt werden können.« Jürgen Ernst, Chef- ingenieur am Fraunho- fer IIS, hat den Test-Tag für den Jungfernflug im Berliner Tierpark entwickelt. Conchitas Flug hat gezeigt, dass der neue Tag nicht nur passt, sondern dass auch die Kamera für den Landeanflug am Vogelkörper richtig positioniert ist, um eines Tages nicht nur eine Flug- show von oben möglichst aussagekräftig zu fotografieren, sondern auch Tierkadaver in der Savanne. Lediglich die Verschlusszeiten der Kameralinse muss Ernst noch an die Geschwindigkeit eines Geiers im Sturzflug anpassen. Außerdem interessiert den Forscher, wie viele zusätzliche Sensoren noch in den kleinen Tag hineinpassen könnten. Dieser darf nicht schwerer als 100 Gramm sein, denn das Tierwohl steht natürlich im Vordergrund. Mit einer neu- artigen Sensorik soll außerdem – unabhängig vom »Es ist ein echtes Frühwarnsystem, mit dem ökologische Krisenherde wie Krankheitsausbrüche, Ver giftungen oder andere Veränderungen im Ökosystem sofort erkannt werden können.« Nina Holzer, Fraunhofer IIS W Z I - z i n b e L i , g n i l l i w Z n a J ; c i v i r K ž a j t a M : s o t o F Bislang ist die Forschung hier auf die händische Aus- wertung weniger Daten angewiesen. Zwar gibt es schon besenderte Tiere, doch die aktuell eingesetzten Sender – auch Tags genannt – speichern nur die GPS- und Be- schleunigungsdaten. Zudem werden die Messdaten erst dann an die Forschenden übermittelt, wenn ein Vogel zufällig ein Gebiet mit Mobilfunkempfang überfliegt. Eine neue Minisender-Generation soll jetzt der Geier- forschung und dem Schutz ihres Ökosystems eine deut- lich bessere Datengrundlage geben. Im Verbundprojekt GAIA-Sat-IoT entwickeln Forschende vom Fraunhofer- zurück zu Seite 1 71

3 | 22 Alles im Griff: Falkner Manuel Sembritzki vom Tierpark Berlin (links) und Dr. Jörg Melzheimer vom Leibniz-IZW. Nachjustieren am Laptop: Chefinge- nieur Jürgen Ernst (links) vom Fraun- hofer IIS verfeinert die Einstellungen am Tag des Geiers. »Wir entwickeln eine Technologie, die die Internet- of-Things-Kommunikation auch in der Industrie pushen kann.« Florian Leschka, Fraunhofer IIS nen Rechenoperationen der K I-Algorithmen auf mehrere Tags verteilen. Er leitet das Teilprojekt SyNaKI – Synergie natürlicher und Künstlicher Intelligenz im Schwarm. Kommen mehrere besenderte Geier zusammen, kann die KI verteilt auf den einzelnen Tags arbeiten. So wird die gesamte Rechenleistung der Tags genutzt und der KI-Algorithmus muss die Vorhersagegenauigkeit nicht einschränken. Das SyNaKI-Konzept sieht vor, ad hoc ein Netzwerk aufzubauen, sobald sich Geier etwa an einem Kadaver versammeln. Anschließend werden den einzel- nen Tags dynamisch Aufgaben zugewiesen. Felix Kreyß denkt bereits über Anwendungen der Technologie bei anderen Tieren nach. Sobald mehrere Artgenossen zusammenkommen, ergeben verteilte Rol- len auf verschiedenen Sendern einen Sinn. »Das Gesund- heitsmonitoring von Weidetieren kann beispielsweise davon profitieren, dass die KI auffälliges Verhalten oder anstehende Geburten frühzeitig erkennt«, so Kreyß. Geier seien zwar öffentlichkeitswirksame Promoter dieser neuen sparsamen KI, doch Florian Leschka sieht auch andere Anwendungsfelder: »Wir entwickeln hier eine Technologie, die die Internet-of-Things-Kommuni- kation und die Nutzung von sensornaher Künstlicher Intelligenz auch in der Industrie pushen kann.« Der Vorteil einer Datenauswertung in Echtzeit am Sensor und ohne Cloud könnte wertschöpfende Anwendungs- felder eröffnen – beispielsweise in der Logistik, bei der Lawinenwarnung, beim Gesundheitsmonitoring mit schützenswerten Patientendaten, die nicht in einer Cloud bearbeitet werden sollen, in der Landwirtschaft zur optimalen Bodenbewässerung oder bei der Verkehrs- steuerung. zurück zu Seite 1 73 W Z I - z i n b e L i , g n i l l i w Z n a J ; c i v i r K ž a j t a M : s o t o F

3 | 22 Foto & Fraunhofer Ins Licht rücken Schon jetzt besitzen Autos eine Menge autonomer Fähigkeiten: Der Tempomat hält den korrekten Abstand zum Vordermann und der Spurhalteassistent zur Leitplanke. Der Aufmerksamkeits-As- sistent mahnt rechtzeitig eine Kaffeepause an, der Park-Assistent hilft in die Lücke. Und wird es doch mal knapp, kann das Auto sogar eine Notbremsung durchführen. All diese Features werden ermöglicht durch eine Vielzahl von Kameras und Sensoren, die an unterschiedlichen Stellen im Fahrzeug platziert sind. Damit Autos eines Tages ganz ohne Menschen hinterm Lenk- rad sicher durch den Straßenverkehr navigieren, müssen jedoch noch deutlich mehr Sensoren die Augen und Ohren des Fah- rers ersetzen. Als Schlüsseltechnologie gelten hochauflösende LiDAR-Sensoren (»Light Detection and Ranging«), die über Laser blitzschnell eine hochpräzise, dreidimensionale Umgebungs- karte erstellen können. Doch wohin mit den vielen Hightech-Detektoren im Auto? Forschende der Fraunhofer-Gesellschaft – insgesamt sind fünf Fraunhofer-Institute beteiligt – haben eine smarte Lösung für das Platzproblem gefunden: »Wir integrieren Radar- und LiDAR- Sensoren in die Scheinwerfer, die ja sowieso vorhanden sind und die ein Optimum an Transmission für optische Sensoren und Lichtquellen sowie für Verschmutzungsfreiheit garantieren«, sagt Tim Freialdenhoven vom Fraunhofer-Institut für Hochfrequenz- physik und Radartechnik FHR. »Wir arbeiten zudem daran, die Daten von Radar und LiDAR zu fusionieren, was insbesondere in puncto Zuverlässigkeit einen extremen Mehrwert bietet.« Aktuell baut das Team vom Projekt »Smart Headlight« einen Prototyp, ein Patent wurde bereits angemeldet. zurück zu Seite 1 75 k c o t S e b o d A / k k c u l y k n u i : o t o F

3 | 22 »Tumorzellen im Blut sind äußerst schwer zu detek tieren.« Dr. Neus Feliu Torres, Fraunhofer IAP an, können die behandelnden Ärzte umschwenken auf eine andere Behandlung, ohne wertvolle Zeit zu verlieren. Die Flüssigbiopsie an sich ist kein neues Verfah- ren, auch wenn sie noch nicht zu den Standardinstru- menten der Krebsdiagnostik zählt. Zur Brustkrebs- erkennung wurde das Verfahren bislang noch gar nicht eingesetzt. Schuld daran sind vor allem zwei Knack- punkte: »Im Vergleich zu anderen Körperzellen liegen die Tumorzellen im Blut nur in einem Faktor von eins zu einer Million vor«, erklärt Feliu Torres. »Sie sind also äußerst schwer zu detektieren.« Deshalb hat das Forschungsteam um die gebürtige Katalanin speziel- le magnetische Nanopartikel entwickelt, mit denen die Tumorzellen angereichert werden können. Sobald die Krebszellen diese Partikel aufnehmen, können sie durch ein Magnetfeld quasi eingesammelt und dann aufkonzentriert werden. Das Wissen, dass irgendwo im Körper ein Tumor vorliegt, hilft den behandelnden Medizinern aller- dings nur begrenzt weiter. Sie müssen im nächsten Schritt ermitteln, wo genau sich das Karzinom be- findet. Dafür werden fluoreszierende Partikel spezi- fisch an die Oberfläche der im Blut aufgespürten Tu- morzellen gebunden. Leuchtet eines davon auf, wissen die Forscherinnen und Forscher, dass es sich um eine Zelle aus einem Brusttumor handelt. Die Partikel leuchten dabei so hell, dass bereits sehr wenige Tumorzellen für einen Nachweis ausreichen. Bei bisherigen Liquid-Biopsy-Verfahren binden die magnetischen Nanopartikel an der Oberfläche der Krebszellen. Dort jedoch wird es eng, schließlich müs- sen sowohl die Magnet-Teilchen als auch die fluores- zierenden Partikel Platz finden, um das ganze Poten- zial der Zelltypisierung auszuschöpfen. »Wir entwickeln magnetische Nanopartikel, die von den Krebszellen aufgenommen werden. Somit können wir erstmals die gesamte Oberfläche nutzen, um die Tumorzellen zu charakterisieren«, erklärt Feliu Torres. Und dazu reicht keineswegs eine einzige Art fluoreszierender Partikel, schließlich können die im Blut zirkulieren- den Tumorzellen von Patientin zu Patientin variieren. Das Team nutzt daher bis zu 18 verschiedene spezi- fisch bindende Partikel, um den Krebszellen auf die Spur zu kommen. Mit der neuen Variante der Flüssigbiopsie könnte die Detektion von Brusttumoren schon bald empfind- licher und spezifischer werden. Und – verglichen mit dem Verfahren der klassischen Gewebebiopsie – auch effizienter, kostengünstiger und vor allem schneller. Was für die Patientinnen letztendlich bedeuten könn- te: mehr Lebenszeit. Statistisch erkrankt eine von acht Frauen im Laufe ihres Lebens an Brustkrebs. Gewissheit nach nur einem Piks Während die Gewebeentnahme eine minimalinvasi- ve Operation ist und damit nicht nur mit Schmerzen, sondern auch mit gewissen Risiken verbunden sein kann, ist für die neue Methode gerade mal ein Nadel- piks nötig: Der Patientin wird lediglich ein wenig Blut abgenommen. Und auch während der Behandlung soll die neue Technologie Vorteile schaffen. So lässt sich mit ihr schnell und einfach überprüfen, ob eine begonnene Therapie Erfolge zeigt. In diesem Fall sinkt die Zahl der Tumorzellen, die mit dem Blut durch die Adern strömen und die im Test nachgewiesen wer- den. Schlägt die Therapie hingegen nicht wie erhofft zurück zu Seite 1 77 y r a r b i L o t o h P e c n e i c S / r e n s s i e m h c s G e v e t S : o t o F

zurück zu Seite 1 Fraunhofer vor OrtStand: Oktober. Aufgrund der Pandemie kann es zu Änderungen kommen. Bitte beachten Sie die Informationen der Veranstalter. Fraunhofer-MagazinDas Magazin für Menschen, die Zukunft gestaltenWollen Sie das Fraunhofer-Magazin sofort bei Erscheinen in Ihrem Briefkasten – kostenlos? Bestellen Sie direkt online unter http://s.fhg.de/bestellenMünchen3 | 22Brustkrebs: Zellen-Fahndung im BlutNeue Diagnose – schneller, schonender, effizienter»Wir sind in der angewandten Forschung gut aufgestellt!«Bundestagspräsidentin Bärbel Bas im InterviewUnsereEnergie Woher sie kommtWie wir sie sichernProf. Clemens Rohde, Fraunhofer ISIGrün isst die Zukunft Nahrung für alle – aus dem Meer2 | 22Corona: Schneller, sicherer, objektiver informiertSo misst das mobile Fraunhofer-Labor die VirusbelastungIm Spiegel der Zeit Caroline Schweitzer, Geschäftsführerin des Fraunhofer-Leistungs bereichs VVS, bei der Internationalen Luft fahrtmesse in BerlinKrieg, Energiekrise, Klimawandel Wie kann Künstliche Intelligenz helfen?»Cybersicherheit wird zur Daueraufgabe«Digitalminister Volker Wissing im InterviewNeue Zeiten, neue Herausforderungen, neue LösungenSchutz und Sicherheit1 | 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 MeerNürnbergDüsseldorfDüsseldorf14. – 17.11.2022Medica / CompamedInternationale Leitmessenfür die MedizinbrancheMünchen15. – 18.11.2022electronicaWeltleitmesse und Konferenz der ElektronikMünchen23.11.2022Fraunhofer Investment Forum (hybrid)Kapitalsuchende Hightech-Gründer treffen auf InvestorenNürnberg14. – 16.03.2023Embedded WorldInternationale Fachmesseund Konferenz für eingebettete Systeme3 | 2279