Das Auto der Zukunft

Neue Zeit, neue Herausforde­rungen – und neue Heraus­forderer: E-Mobilitätspionier Tesla, der 2013 mit dem Model S auf den deutschen Markt startete, hatte im Oktober Grund zum Feiern. Dreistel­lig waren die Zuwachsraten in der Zulas­sungsstatistik für Deutschland: ein Plus von 482,9 Prozent. Die deutschen Herstel­ler rutschten zweistellig ins Minus – Aus­nahme Porsche, fast stabil bei nur minus 0,8 Prozent. Auch Volkswagen, Mercedes, BMW und Audi haben die Herausforderung E-Mo­bilität angenommen. Die Fraunhofer-Ge­sellschaft trägt mit ihrer Forschungsfabrik Batteriefertigung, an der zehn Fraunho­fer-Institute beteiligt sind, dazu bei, die technologische Spitzenposition deutscher Batteriefertigung auszubauen und zu fes­tigen. Und doch wird es mehr brauchen, damit der Deutschen liebstes Kind nicht zum Schmuddelkind in Ökologie und Ansehen wird.

Diversität – auch auf den Straßen

Das Auto der Zukunft braucht eine Mobili­tät der Zukunft. Gegen Scheuklappen auf den Straßen plädiert Dr. André Häusler. Der Fachmann vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen ist über­zeugt, dass Diversität im Verkehr erforder­lich sein wird. Er sieht die verschiedenen Antriebskonzepte in friedlicher Koexis­tenz – je nach Raum und Anforderung. In fünf Minuten volltanken und dann 650 Kilometer weit fahren? Vorteil Wasser­stoff. Ländlicher Raum mit dünnem Netz an Stromzapfsäulen? Vorteil Hybridmo­dell aus Verbrenner und Elektromotor. »In den kommenden Jahren werden Automo­bilhersteller nicht nur eine Antriebsart im Portfolio haben«, sagt Häusler. »Sie werden für jeden Bedarf eine eigene Lösung an­bieten müssen – Wasserstoff-, Elektro-, Benzin-, Diesel- und Hybrid-Modelle.«

Doch wird das nicht genügen. Es ist an der Zeit, Mobilität neu zu denken. »Wir müs­sen die Weiterentwicklung von Fahrzeugen, Verkehrssystemen und Technologien viel stärker von der Lösung konkreter Probleme und Aufgaben her angehen und weniger von der Weiterentwicklung bestehender Techniken«, fordert Sebastian Stegmüller vom Fraunhofer-Institut für Arbeitswirt­schaft und Organisation IAO in Stuttgart. Stegmüller ist Leiter des Forschungsbereich Mobilitäts- und Innovationssysteme. Zu­sammen mit seinen Teams versucht er, so­lide, zukunftsweisende Innovationen von kurzlebigen Hypes zu unterscheiden.

Abspecken für die Zukunft

Ganz un­abhängig vom Antriebskonzept gilt eine einfache Regel. Je weniger ein Fahrzeug wiegt, desto geringer kann sein Energie­verbrauch sein. Das gilt speziell für E-Autos, die ihrer schweren Batteriemodule wegen besonders unter Reichweiteproblemen lei­den. Das Fraunhofer ILT hat ein laserge­stütztes Schweißverfahren entwickelt, mit dem sich hochfeste Stähle auch an sehr kleinen Stellen nahtlos und präzise schwei­ßen lassen. Die Stähle sind dünner und leichter, ohne deshalb an Festigkeit zu ver­lieren. »Wir arbeiten auch an einem Ver­fahren, bei dem Metall und Kunststoff mit­einander verschweißt werden. Daraus lassen sich tragende Bauteile herstellen, die keine verbindenden Elemente mehr benö­tigen. Sie sind damit ebenfalls leichter«, er­klärt Dr. André Häusler, Teamleiter für das Mikrofügen von metallischen Werkstoffen.

Das Potenzial innovativer Schweißtech­niken demonstrieren Häusler und sein Team auch im Bereich der Wasserstoff-Antriebe. Brennstoffzellen sind prädestiniert für den Einsatz in Lkw, Transistoren oder anderen Nutzfahrzeugen. Mit dem am Fraunhofer ILT entwickelten Hochgeschwindigkeits­schweißprozess lassen sich beispielsweise die für eine Brennstoffzelle benötigten 200 Bipolarplatten mit jeweils 1,4 Meter langer Naht heliumdicht verbinden. Und zwar schneller, effizienter und kostensparender als mit klassischer Schweißtechnik.

Leichtigkeit, Nachhaltigkeit und Sicher­heit, das ist auch die Devise beim Fraun­hofer-Institut für Holzforschung, Wilhelm-Klauditz-Institut WKI. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts haben sich mit den Partnern HOBUM Oleo­chemicals GmbH und Porsche Motorsport an der Entwicklung des Bioconcept-Car für das Rennteam Four Motors beteiligt. Die Fraunhofer WKI-Expertinnen und -Ex­perten setzen auf die Naturfaser Flachs als Ersatz für das teure Carbon, das im Renn­sport überall da eingesetzt wird, wo ext­reme Festigkeit gefragt ist. Der Flachs wird zu einem textilartigen Gewebe verarbeitet und anschließend mit einem biobasierten Epoxidharz umhüllt. Das Flachsgewebe beziehen die Forschenden dabei von einem Zulieferer. Das vibrationsdämpfende Ma­terial kann dort verbaut werden, wo die Festigkeit nicht ganz so hoch wie bei Car­bon sein muss, beispielsweise im Bereich der Türen, bei der Sitzaufhängung oder im Dachhimmel. »Unser Projekt beweist, dass mit Naturfasern verstärkte Bio-Kunst­stoffe auch unter hohen Belastungen tat­sächlich funktionieren«, erklärt Fraunhofer WKI-Experte Ole Hansen. Hinzu kommen die ökologischen Vorteile, denn die Flachs­pflanze bindet CO₂ und wächst in der Re­gion, lange Lieferwege entfallen.

Bioconcept-Car: Nachhaltige Leichtbau-Karosserie als Baustein einer klimaneutralen Mobilität

Kompakt und vernetzt

»Das Auto braucht nicht nur neue Tech­nik, es braucht generell neue Konzepte. Es muss kompakter werden und sich intelli­gent mit anderen Mobilitätsformen ver­binden«, sagt Monika Beck, zuständig für Technology Transfer – Wireless Microsys­tems am Fraunhofer-Institut für Photoni­sche Mikrosysteme IPMS in Dresden. Ein entscheidender Baustein für die Einbin­dung des Autos in zukünftige Verkehrs­systeme ist die Elektronik. Schon heute sind Fahrzeuge vollgepackt mit ECUs (Electronic Control Units). Diese kontrol­lieren inzwischen auch sicherheitskriti­sche Bereiche wie Motor, Schaltung, Gas oder Bremsen. In einem modernen Autoarbeiten zwischen 30 und 150 dieser Ein­heiten zusammen, alle sind mit Prozesso­ren ausgestattet. Die Automobilindustrie ist hier allerdings von einigen wenigen Herstellern und deren oft für spezielle An­wendungen überdimensionierten Prozes­soren abhängig. Hier setzt das Fraunhofer IPMS an. Es hat einen IP-Core basierend auf der transparenten RISC-V-Architektur entwickelt, die sich individuell anpassen lässt. »Modularität und Erweiterbarkeit sind die größten Stärken der offenen RISC-V-Architektur. Sie ermöglicht es damit, maßgeschneiderte Prozessoren zu ent­werfen«, erklärt Monika Beck.

Der RISC-V-Prozessor bietet aber noch ein weiteres, sehr wesentliches Novum. Als erster Prozessor für Automotive-Anwen­dungen ist er auch als Safety-Variante er­hältlich. In dieser Variante ist das Design ASIL-D ready nach ISO 26262 vorzertifiziert. Diese Norm regelt die Entwicklung sicher­heitsrelevanter elektronischer Systeme in Kraftfahrzeugen. Dabei werden beispiels­weise bestimmte Datenströme redundant angelegt oder nach einem Ausfall einer Komponente vordefinierte Aktionen ein­geleitet. Ein entsprechender Prozessor könn­te in sicherheitskritischen Funktionen wie etwa der Sensorik genutzt werden, um die­se stabil und ausfallsicher zu gestalten. Ge­rade selbstfahrende Autos sind auf absolut zuverlässige Sensorik-Systeme angewiesen.

Für diese Sensorsysteme ist eine Ver­netzung mit der Außenwelt und schnelle Auswertung der Daten entscheidend. Dies kann nicht in den Fahrzeugen allein ge­schehen, da diesen nur begrenzte Rechen­power zur Verfügung steht. Hierbei spielen Edge-Computing, 5G und V2X-Funkver­bindungen (Vehicle-to-X) eine wichtige Rolle. Auch die Unterstüt­zung der Fahrzeug-Sensorik durch weite­re Sensoren auf den Straßen ist ein wich­tiger Baustein für selbstfahrende Autos. Das könnte so aussehen: Auf erhöhten Positionen wie etwa einer Straßenlaterne überwachen Kameras, LiDAR-Scanner (Light Detection and Ranging) und Radar Gefahrenstellen wie Kreuzungen oder be­stimmte Straßenabschnitte. Das System sammelt die eingehenden Daten und sen­det sie via 5G an ein nahe gelegenes Edge-Cloud-System, das die Daten mit KI-Unter­stützung auswertet. So entsteht ein Bild aller Verkehrsteilnehmer mit ihren jewei­ligen Geschwindigkeiten und Abständen zueinander. Mittels Deep Learning ana­lysiert das System die Verkehrslage, teilt diese über 5G wieder den Fahrzeugen mit und erkennt Gefahrensituationen. Wenn sich beispielsweise ein nicht-autonomes Auto auf Kollisionskurs mit einem auto­nomen Fahrzeug befindet, erkennt das Ed­ge-Cloud-System die Gefahrensituation. Nun schickt es – wieder über 5G – eine Warnung an das selbstfahrende Auto, das dann autonom den Kurs korrigiert oder eine Notbremsung durchführt. Dies alles geschieht nahezu in Echtzeit.

Die Infos zu den Fahrzeugen beschrän­ken sich auf Fahrzeugklasse, Position und Geschwindigkeit. Informationen zu den Haltern oder Nummernschilder werden nicht übermittelt. Es sind auch Lösungen gänzlich ohne Kamera und nur mit LiDAR beziehungsweise Radar denkbar. Auch ei­ne smarte Ampel, die je nach Verkehrsge­schehen intelligent schaltet und zusätzlich zu den optischen Anzeigen über hochzu­verlässigen 5G-Funk ihre Ampelsignale an die Verkehrsteilnehmer sendet, ist in so einem intelligenten Verkehrs-Monito­ring-System realisierbar.

Solche Systeme befinden sich aktuell noch in der Entwicklung. Fraunhofer-For­schende bemühen sich mit Hochdruck, diese Vision in Feldversuchen zu realisie­ren. Darunter auch das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI in Berlin. »Wir arbeiten an der Weiterentwicklung von Kameras, La­sern für LiDAR-Scanner und KI für Radar, beispielsweise für die Verkehrserfassung. Prinzipiell also an allen Arten von Senso­ren, die zur Erkennung und Lokalisierung von Objekten dienen. Wir optimieren Funktechnologien wie 5G weiter und ar­beiten schon an 6G-Konzepten, mit denen auch große Datenmengen zuverlässig in Echtzeit übertragen werden können. Wir haben sogar eine neue KI-Abteilung am Institut gegründet, zur intelligenten Ana­lyse und Weiterverarbeitung von Rohda­ten«, erklärt Dr. Tristan Visentin, Innova­tion Manager am Fraunhofer HHI.

Die digitalisierte Verkehrssteuerung integriert Automobile, Bikes, E-Scooter und Fußgänger in ein umfassendes Mobi­litätskonzept. »Das Auto der Zukunft wird Teil einer ganzheitlichen Mobilitätsstra­tegie sein und sich in komplexe Verkehrs­systeme einbinden lassen«, bestätigt Prof. Uwe Clausen, Vorsitzender Fraunhofer-Allianz Verkehr.

Und das oft vergessene Land?

Doch je mehr Optionen, desto komplexer wird auch die Mobilität für die Passagiere. Dr. Karina Villela, Project Manager Digital Innovation Design am Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE in Kaiserslautern, hat sich dieses Pro­blems angenommen und im Projekt Smart MaaS (Mobility as a Service) eine Mobilitäts-Plattform geschaffen, um genau dieses Problem zu lösen – zusammen mit den Partnern Fiware, Cleopa, DFKI und bet­ter mobility. Auf der B2B-Plattform können alle Anbieter von Mobilität, Informations­diensten oder anderen Dienstleistungen ihr Angebot einstellen: Taxiunternehmer ebenso wie Shuttlebus-Betreiber, E-Bike-Verleiher, der öffentliche Nahverkehr oder Carsharing-Anbieter, Hotels und Touris­musinformationen. Das Ökosystem vereint so alle Akteure auf einem Marktplatz – Dienstleister, Informationsanbieter und Vermittler.

Projekt »Smart MaaS« (Smart Mobility as a Service)

All diese Informationen werden vom Mobility-Broker ausgewertet. Sucht nun ein Kunde nach der besten Route für einen bestimmte Fahrt, generiert der Broker so­fort ein passendes Angebot, inklusive der passenden Verkehrsmittel und Umsteige­möglichkeiten. »Die Kunden können in ihrer Anfrage auch festlegen, ob ihr Trip besonders preisgünstig, besonders kom­fortabel oder besonders schnell sein soll. »Für die Passagiere entsteht so stressfreie Mobilität von Tür zu Tür«, sagt Villela. Sie sieht Smart MaaS als Chance für Start-ups oder kleine Unternehmen mit spezialisier­ten Services, die sich auf der Plattform prä­sentieren können.

Matthias Koch, Senior Requirements Engineer am Fraunhofer IESE in Kaisers­lautern, konzentriert sich in seinem Pro­jekt Kom MaaS auf die ländliche Region. Hier gibt es nicht zu viele Fahrmöglich­keiten, sondern eher zu wenige. Die Grund­idee besteht darin, diese wenigen Möglich­keiten besser zugänglich zu machen und miteinander zu verbinden. So könnten Bürgerbusse durch die Ortschaften fahren und Menschen mobil machen, die kein eigenes Auto besitzen. Das Team um Mat­thias Koch hat gemeinsam mit Partnern die passende Web-Anwendung entwickelt. Wer eine Beförderungsmöglichkeit braucht, meldet sich zunächst telefonisch beim re­gionalen Bürgerbus-Dienst und teilt den Fahrtwunsch mit. Oder er nutzt eine Smartphone-App, um den Beförderungs­wunsch zu signalisieren. Die Anfrage wird durch das Planungsteam des Bürgerbusses über die Anwendung erfasst und einge­plant. Die Anbieter haben nun die Mög­lichkeit, individuelle Wege zu einzelnen Passagieren optimal zu einer Gesamtrou­te zu verbinden. Der Fahrer des Bürger­busses wiederum sieht auf dem Display im Fahrzeug, wo Passagiere abzuholen oder hinzubringen sind. Wer mit dem Privat­auto eine Fahrt in die nahe gelegene Stadt plant, wird in späteren Entwicklungsstu­fen über Kom MaaS eine Mitfahrgelegen­heit anbieten können.

Projekt »KomMaaS« (Mobility as a Service für Kommunen)

Koch und sein Team haben die Web-An­wendung mit dem Fokus auf einfache und effiziente Funktionen entwickelt. »Wir wollen die Mobilität für die Menschen er­höhen, die kein eigenes Automobil haben, und gleichzeitig die Auslastung der Fahr­zeuge verbessern. Mobilität und Verkehr haben immer auch einen sozialen Aspekt. Das dürfen wir bei der Entwicklung von vernetzten Mobilitätskonzepten nicht ver­gessen«, sagt Koch. Die Bürgerbusfahrten wurden bereits praktisch erprobt. Erste Landkreise in Rheinland-Pfalz haben auch schon ihr Interesse signalisiert. All diese Konzepte haben eines gemeinsam: Wir fahren nicht mehr zwingend im eige­nen Auto, sondern wählen die Option, die gerade am besten passt.

Seinen besonderen Rang wird das Au­tomobil nach Meinung der Fraunhofer-Forschenden nicht verlieren. Sebastian Stegmüller glaubt an die emotionalen Fak­toren: »Mobilität ist mehr als das berühm­te Von-A-nach-B. Beim Auto gibt es Aspek­te, die über das rein Rationale hinausgehen.« Komfort, Ausstattung und Privatsphäre werden im Auto der Zukunft deshalb nicht weniger, sondern mehr Gewicht haben. Für die Automobilhersteller eröffnet sich die große Chance, wirklich neuartige Kon­zepte vorzulegen. Eine Studie für dieses Zukunftskonzept haben Fraunhofer-For­schende unter dem Namen Vision PI bereits vorgestellt. Die Fahrgastzelle ist dabei nach einem Schalenprinzip konstruiert und lässt sich flexibel an die individuellen Bedürf­nisse der Passagiere anpassen. Tagsüber oder bei der morgendlichen Pendelfahrt könnte die Fahrgastzelle beispielsweise als mobiles Office für Arbeit und Video­konferenz dienen. Die HMI-Technologien (Human Maschine Interfaces) des Fahr­zeuges verbinden sich dabei nahtlos mit mitgebrachten Devices wie Tablets oder Kopfhörern und ermöglichen auf diese Weise ein integriertes Medienerlebnis. Die Routenwahl wird automatisch nach Kri­terien wie Netzverfügbarkeit, ruhiger Fahr­weise und anstehenden Terminen gestal­tet und angepasst. Abends verwandelt sich die Fahrgastzelle in einen Ruheraum mit abgedunkelten Scheiben und alle Sinne ansprechenden Wellness-Funktionen – für die entspannte Heimfahrt nach der Arbeit. Die Verwendung hochwertiger Materia­lien steigert dabei den Wohlfühlfaktor. Ge­mütliches Lounge-Ambiente statt nüch­ternem Cockpit-Feeling. »Was heute die PS-Zahl ist, wird in Zukunft die kontext­spezifisch personalisierbare Ausstattung und haptische Qualität eines Fahrzeug­innenraums sein«, ist Stegmüller über­zeugt.

»Vision PI« – Nachhaltiges Mobilitätskonzept der Zukunft mit Lifestyle-Faktor (Presseinformation 16. Nov. 2020)

»Mobilität und Verkehr haben auch einen sozialen Aspekt!«

Wenn Grundvoraussetzungen wie Be­achtung sozialer Standards bei der Pro­duktion, ökologische Nachhaltigkeit und Sicherheit erfüllt sind, dann spricht auch nichts mehr dagegen, dass uns das Auto als individuelles Konsumgut erhalten bleibt. Prof. Michael Lauster, Institutslei­ter am Fraunhofer-Institut für Naturwis­senschaftlich-Technische Trendanalysen INT, ist jedenfalls optimistisch: »Das Auto wird noch eine lange und glänzende Zu­kunft haben. Es bleibt auch weiterhin ei­ner der wesentlichen Träger individueller Mobilität. Mit dem Trend zum Benutzen statt Besitzen wird es allerdings nur noch wenigen als Statussymbol dienen.«