Sicherheit im Spiegel der Zeit

Zeitenwende« ist das Wort der Zeit. Ausgelöst ist sie vom russischen Prä­sidenten Wladimir Putin mit seinem Angriffskrieg gegen die Ukraine. In Deutschland umgesetzt ist sie vom Deutschen Bundestag, der ein 100-Milliarden-Euro-Sonder­vermögen freigibt und dafür mit großer Mehr­heit das Grundgesetz ändert. Verändert hat sie den Blick vieler auf die Welt und die Fähigkeit des Landes, die Bundeswehr optimal aufzustel­len und die Bevölkerung im Falle eines Falles optimal zu schützen. »Es gibt eine ganze Reihe positiver Signale, dass die Politik schnell handeln möchte, um die Landesverteidigung zu stärken«, stellt Prof. Jürgen Beyerer fest, Vorsitzender des Fraunhofer-Leistungsbereichs Verteidigung, Vorbeugung und Sicherheit, kurz: VVS, und zugleich Institutslei­ter des Fraunhofer IOSB. Und Caroline Schweitzer, die Geschäftsführerin des Verbandes, verspricht: »Für die Verteidigungsfähigkeit unseres Landes können die Forschungsinstitute im VVS substanzielle Beiträge liefern.«

Der VVS ist ein Zusam­menschluss von elf Fraunho­fer-Instituten, die ihre Kom­petenzen in den Forschungsbereichen bündeln, die für Sicherheit, Wehrtechnik oder Verteidigung relevant sind. Vertreter des VVS stellen dem Bun­desministerium der Verteidigung, dessen nach­geordneten Behörden und der Bundeswehr regel­mäßig ihre Expertise und ihr Know-how zur Verfügung.

Zivilschutz und Verteidigungsfähigkeit gehen dabei oftmals Hand in Hand. Denn mit dem brei­ten Spektrum an Technologien, an denen die For­schenden der Fraunhofer-Gesellschaft für Wirt­schaft und Gesellschaft arbeiten, decken sie auch Themenbereiche ab, die für die Bundeswehr in­teressant sind. Beispiele hierfür wären etwa Tech­nologien für die digitale Kommunikation von Ein­satz- und Rettungskräften bei Katastrophen oder auch Technologien für die IT-Sicherheit von kri­tischen Infrastrukturen. Solche Technologien stär­ken die Resilienz ziviler Systeme und schützen die Menschen bei Krisen und Katastrophen. Sie helfen gleichzeitig der Bundeswehr, ihre Einsätze optimal zu koordinieren, gegebenenfalls im Ver­bund mit anderen europäischen Ländern.

»Es zahlt sich jetzt aus, dass Europa schon vor der Ukraine-Krise beim Thema Verteidigung nä­her zusammengerückt ist«, analysiert Schweitzer. »So wurde die Gemeinsame Sicherheits- und Ver­teidigungspolitik (GSVP) der EU beschlossen und mit di­versen Rahmenforschungs­programmen flankiert. Fraunhofer gestaltet die For­schungsprogramme mit, au­ßerdem arbeiten wir aktiv in europäischen Konsortien mit, in denen wir gemeinsam mit der Industrie, Forschungsein­richtungen und Universitäten neue Technologien entwi­ckeln.«

Caroline Schweitzer hat an zahlreichen Experten­kommissionen der NATO teil­genommen. Seit 2015 ist sie Geschäftsführerin des VVS. Schweitzer weiß, was in Deutschland beim Thema Verteidigung derzeit disku­tiert wird, und sie weiß auch, was die Fraunhofer-Gesell­schaft hier beizutragen hat. Eine Aussage von Schweitzer ist auch von anderen Fraunhofer-Forschenden immer wieder zu hören: Zwar löse der Krieg in der Ukraine Betroffenheit aus, doch Anlass zu ei­ner Kursänderung sei er nicht. Der Ton ist nüch­tern. »Wir müssen keine neuen Forschungsfelder aufmachen, denn wir sind in allen Technologie­bereichen gut aufgestellt«, bestätigt auch Prof. Beyerer.

Zahlreiche Beispiele aus den VVS-Instituten zeigen, wie Fraunhofer-Forschung zur Verteidi­gungsfähigkeit beiträgt.

»Unsere Soldaten besser schützen«

Verteidigung ist Selbstschutz. Die Tarnung von Fahrzeugen und Uniformen ist eine jahrhundertealte Praxis. Diese noch weiter zu perfektionieren, ist aktuell das Ziel von Forschenden des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtech­nik und Bildauswertung IOSB. Sie arbeiten an Tarnkleidung, die sich selbstständig an die Um­gebung anpasst. Integrierte Sensoren messen die Umgebungshelligkeit und die vorherrschenden Farbtöne und geben diese Information an intel­ligent gesteuerte LEDs weiter, die in die Textilien eingearbeitet sind. Diese geben dann Licht in der entsprechenden Hellig­keit und Farbgebung ab und lassen den Soldaten nahezu mit seiner Um­gebung verschmelzen. Der Mensch, der in der Uniform steckt, muss dazu nichts tun, keine Knöpfe drücken, keine Sensoren aktivieren. Das ist schon Realität. Die Zukunft: Steht der Soldat über ein Infosys­tem mit der Luftaufklä­rung in Kontakt, dann kann die Tarnkleidung ihr Farbspektrum so verändern, dass sie von den optischen Sensoren einer überfliegenden Drohne nicht erkannt werden kann. »Mit der Tarnung manipulieren wir die Wahrnehmung«, erklärt Dr. Max Winkel­mann, wissenschaft­licher Mitarbeiter am Fraunhofer IOSB. Doch will das Team nicht bei der Optik stehen bleiben. Die Experten forschen an Textilien, die Wärmebildkameras täuschen können. »Wir erproben aktuell sehr viele neue Technologien«, verrät Winkelmann, »um unsere Soldaten besser zu schützen.«

In der Regel wird hier Verbundsicherheitsglas eingesetzt. Die Dicke der einzelnen Schichten und die Kombination der verschiedenen Glassorten bestimmen letztendlich die Festigkeit. »Wir untersuchen nicht einfach, ob das Projektil die Scheibe durchbricht oder nicht. Oftmals hält die Scheibe einem ersten Schuss stand, auch dem zweiten. Beim dritten aber zersplittert sie kom­plett und kann die Menschen im Fahrzeug nicht mehr schützen.« Die Forscher beschäftigt deshalb die Frage, wie stabil eine Scheibe noch ist, wenn sie durch ein Projektil be­reits geschädigt wurde – und der erste Schaden beginnt schon direkt zum Zeitpunkt des Projektil­aufschlags, also bevor das Projektil anfängt, in das Glas einzudringen. Denn durch den Aufschlag wer­den Stoßwellen im Glas erzeugt, die mit hoher Geschwindigkeit dem Projektil vorauseilen und zur Entstehung von Ris­sen führen können. Sol­che Vorgänge erfassen die Fraunhofer EMI-For­schenden mit Hochge­schwindigkeitskameras – vom Aufprall bis zur Abbremsung des Projek­tils in nur 200 Mikrose­kunden. Zudem nutzen die Experten Röntgen- Computertomografie und numerische Simulations­modelle, »um die Festig­keit und Widerstandsfä­higkeit von Verbundglas und Laminaten mit unterschiedlichen Material­kombinationen und Schichtdicken genauer pro­gnostizieren zu können«, erklärt Bauer.

Luftverteidigungssystem »Future Combat Air System« (FCAS)

Auch am voraussichtlich größten und ambi­tioniertesten europäischen Verteidigungspro­gramm der kommenden Jahrzehnte sind Fraun­hofer-Forschende beteiligt. Das »Future Combat Air System«, kurz: FCAS, soll als Luftverteidigungs­system von 2040 an die bestehenden Plattformen wie den Eurofighter oder Rafale zunächst integ­rieren und zu einem späteren Zeitpunkt ablösen. An diesem Megaprojekt sind fast alle VVS-In­stitute beteiligt, wobei das Fraunhofer FKIE die Rolle des Point of Contact übernimmt. FCAS wird deutlich mehr sein als ein Kampfflugzeug. Be­mannte Jets neuester Generation sind eingebun­den in ein »System-of-Systems«. Unbemannte Komponenten, sogenannte »Remote Carrier«, schützen als Begleiter die Pilotinnen und Piloten in Kampfmissionen. Zentral ist eine »Air Combat Cloud«, die den Akteuren alle relevanten Infor­mationen in Echtzeit zur Verfügung stellt.

Die neue Lösung wirft neue Fragen auf. High­tech und Digitalisierung führen immer mehr da­zu, dass sich militärische Operationen beschleu­nigen und gleichzeitig datenintensiver und damit komplexer werden. Wenn aber KI-gestützte Sys­teme selbst Entscheidungen treffen, überschreitet die Technik eine rote Linie. »Die Anforderungen an Geschwindigkeit und Komplexität in den Ge­fechtssituationen der Zukunft sind so hoch, dass es ohne halbautomatische oder automatisch ab­laufende technische Prozesse gar nicht mehr geht«, erläutert Prof. Wolfgang Koch, Chief Scientist am Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Infor­mationsverarbeitung und Ergonomie FKIE.

Dies erfordert eine neue Bewertung und Analyse des Themas Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) in Waffensystemen. Der VVS hat hierzu das Positionspapier »Rise of Intelligent Systems in Military Weapon Systems« verfasst. Es legt den aktuellen Stand der Technik dar, untersucht Nutzen und Risiken und präsentiert ein Rahmen­konzept für erklärbare und kontrollierbare KI.

Doch damit nicht genug. Die Forschenden haben eine Arbeitsgruppe »FCAS-AG Technikverantwortung« gegründet, die ethische und recht­liche Leitlinien für Europas größtes Verteidigungs­projekt definieren und vorlegen will. An der Arbeitsgruppe beteiligen sich neben Wolfgang Koch Persönlichkeiten aus unterschiedlichen ge­sellschaftlichen Gruppen, beispielsweise die Schriftstellerin Nora Bossong, Anja Dahlmann von der Stiftung Wissenschaft und Politik, Ulrike Franke, Senior Policy Fellow beim European Coun­cil on Foreign Relations (ECFR) oder der Historiker Florian Keisinger. »Die AG soll kein harmloser De­battierclub sein und schon gar kein intellektuelles Feigenblatt für die Nutzung von KI in militärischen Operationen«, bestätigt Prof. Koch. »Vielmehr soll sie das Systemdesign, die Arbeitsweise und die Implementierung der Technologien in FCAS sys­tematisch begleiten und mitgestalten.«

In FCAS haben sich Deutschland, Spanien und Frankreich zusammengetan. Im Laufe der Zeit sollen weitere europäische Nationen dazukom­men. »FCAS ist ein gesamteuropäisches Projekt«, erklärt Koch, »das der gemeinsamen europäischen Sicherheits- und Verteidigungspolitik einen Schub geben könnte.«

Präzision schafft Sicherheit

Auch präzises Wissen trägt zur Sicherheit von Ein­satzkräften bei. Mit Aufklärung beschäftigen sich Forschende wie Dr. Stephan Palm am Fraunhofer FHR in Wachtberg, genauer mit dem »Synthetic Aperture Radar«. Dabei wird ein Bild aus vielen kleinen Aufnahmen einer beweglichen Antenne generiert, welches die zweidimensionale Reflekti­vität der Szene darstellt. Am FHR experimentiert man nun mit dem sogenannten Kreis-SAR bei sehr hohen Trägerfrequenzen. Palm hat zu dem Thema auch promoviert.
 

Öffentliche Sicherheit ist ein Forschungsschwerpunkt

Dabei zieht ein Flugzeug oder eine Aufklärungs­drohne eine kreisförmige Flugbahn um das zu beobachtende Gebiet und richtet den Radarbeam fortlaufend auf das Zentrum aus. So entstehen Aufnahmen aus mehreren Winkeln, die es er­möglichen, einzelne Objekte dreidimensional zu erfassen, also von mehreren Seiten zu betrachten. Zudem kann eine wesentlich höhere Auflösung als bei herkömmlichen Aufnahmen auf linearer Trajektorie erreicht werden. »Mit Kreis-SAR ist es auch möglich, SAR-Videos zu erzeugen und damit bewegte Objekte auf dem Boden wie etwa fahren­de Autos zu visualisieren«, sagt Palm.

Ein Aufklärungsflieger, der in einer Höhe von bis zu 600 Meter über dem Zielgebiet fliegt, kann mit dem aktuellen Experimentalsystem Objekte unter fünf Zentimeter Größe identifizieren. Stellt man mehr Ausgangsleistung zur Verfügung, kön­nen auch deutlich größere Flughöhen erreicht werden. Damit wird eine hochauflösende Auf­klärung auch bei schwieriger Witterung oder Nacht in Echtzeit realisierbar.

Ein weiterer Schwerpunkt der Forschungstä­tigkeiten bei Fraunhofer ist die öffentliche Sicher­heit. Von großen »Herausforderungen für die Ge­sellschaft auch durch Gefahren wie Terror, Cyberangriffe und Klimawandel« spricht Daniel Hiller, Geschäftsführer von Fraunhofer SIRIOS. Dieser Zusammenschluss von vier Fraunhofer-Instituten nahm im Januar 2022 in Berlin den Betrieb auf. Die Fraunhofer-Expertinnen und -Ex­perten setzen auf das Prinzip der virtuell erleb­baren Simulation: SIRIOS simuliert detailliert den Verlauf einer Gefahrenlage, z. B. einem Anschlag oder einer Explosion, und die wahrscheinliche Reaktion der betroffenen Menschen. Dabei be­schränkt sich die Simulation nicht auf abstrakte Datenreihen und Grafiken. »Wir versuchen diese Ereignisse und ihre konkreten Auswirkungen im virtuellen Raum optisch erlebbar zu machen, bis hin zur 3D-VR-Darstellung.«

Wie wird die Bevölkerung gewarnt?

Frühzeitig zu warnen, ist das Anliegen von Olaf Korte vom Fraunhofer IIS. Denn das ist im Gefah­renfall wie etwa bei Naturkatastrophen entschei­dend. Viele der klassischen Sirenenwarnsysteme wurden in den vergangenen Jahren abgebaut oder nicht mehr gewartet. Zwar gibt es Warn-Apps für das Smartphone, doch sind die Geräte von funktionierenden Mobilfunknetzen abhän­gig. Deutlich robuster sind Rundfunknetze. Auf die setzt Olaf Korte mit seinen Kolleginnen und Kollegen. Das Konzept EWF (Emergency Warning Functionality) sieht vor, dass von zentraler Stelle, etwa dem Innenministerium, ein Warnimpuls als Umschalt- bzw. Aufwecksignal ausgelöst wird, um eine Audiobotschaft inklusive kurzer Lauf­schrift für das Display des Endgeräts zu senden. Diese kann von DAB+-Radios empfangen werden. Höherwertige Empfangsgeräte bieten außerdem mehrsprachige und detailliertere Texte für Hör­behinderte und Fremdsprachler. Die Warnhin­weise und Texte sind ebenfalls für öffentliche Anzeigetafeln nutzbar. »Ein Vorteil der Technik ist, dass man die Warnnachrichten zum Beispiel vor einem aufziehenden Sturm sehr gezielt regio­nal verbreiten kann«, sagt Korte. Zwar liegt die Verbreitung von DAB+ in Deutschland aktuell nur bei 25 Prozent, doch die Tendenz ist steigend.
 

Ein Radar für die Investitionen

Weltweit läuft die Forschung und Technologie­entwicklung in den Bereichen Zivilschutz und Verteidigung auf Hochtouren, um Menschen vor den Folgen des Klimawandels, aber auch vor mi­litärischen Angriffen besser zu schützen. Einen stets aktuellen Überblick über die zahlreichen Forschungsaktivitäten liefert das Militärische Technologie-Radar (MiTeRa), das am Fraunhofer FKIE entwickelt wurde.

Dr. Hanna Geppert und Dr. Carsten Winkel­holz haben das Software-Tool gemeinsam mit ihrem Team und dem Bundesministerium der Verteidigung (BMVg) geschaffen, um Reifegrad, Intensität und Planungsstand von Forschungs­aktivitäten in Bezug auf wichtige Zukunftstech­nologien jederzeit im Blick zu haben. »Wenn bei­spielsweise bestimmte Kommunikationsmittel veralten, ist es wichtig zu wissen, ab wann neue Technologien marktreif sein werden, um Lücken zu vermeiden«, erklärt Geppert. Möglich wird dies durch eine ergonomische Sicht und die Fra­ge, wer zu welchem Zeitpunkt welche Informa­tion für eine fundierte Entscheidung benötigt. Das Ergebnis ist eine auf Visual Analytics basie­rende interaktive und intuitiv verständliche Dar­stellung. Aktuell wird das Technologie-Radar vom BMVg im Forschungsbereich Cyber und IT ge­nutzt, weitere Themenbereiche sollen bei Bedarf folgen.
 

Die Anforderungen wachsen, der politische Wille ist dokumentiert

Bundeswehr und Verteidigungsministerium wollen auch wissen, was die technologischen Trends der Zukunft sind und wie die zukünftige Ausrüstung der Streitkräfte aussehen soll. Was in 10 oder 20 Jahren in modernen Waffensystemen zum Einsatz kommen wird, befindet sich heute als Forschungsprojekt mit niedrigem Technology Readiness Level in den Laboren rund um die Welt – das meiste davon inzwischen zivil getrieben. Den Überblick hat hier das Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trend­analysen INT. »Wir stellen seit mehr als 40 Jah­ren eine 360°-Rundumsicht auf diese komplexe Technologielandschaft her und beraten das BMVg bei der Ausgestaltung des Ressortforschungs­programms«, erklärt Prof. Michael Lauster, Lei­ter des Fraunhofer INT und stellv. Sprecher des Leistungsbereichs Verteidigung, Vorbeugung und Sicherheit (VVS). Zudem gibt die vierteljährlich vom Fraunhofer INT herausgegebene Publikation »Wehrtechnische Vorausschau« den Planern und Entscheidungsträgern die wesentlichen Informa­tionen an die Hand, um zukunftssichere Ausrüs­tungsentscheidungen treffen zu können.

Die Anforderungen an die Verteidigungsfähigkeit Deutschlands wachsen, der politische Wille ist dokumentiert – und die Forschung steht bereit. »Wir haben dem Verteidigungsministe­rium bereits gezielt Leistungsangebote unterbrei­tet«, erklärt VVS-Geschäftsführerin Schweitzer. »Wir sind in der Lage, sehr schnell auf konkrete Anfragen der Bundeswehr zu reagieren und neue Technologien ins Feld zu bringen«, versichert auch Prof. Jürgen Beyerer. Und in der aktuellen Lage kündigt der VVS-Vorsitzende an: »Diese Fähig­keit werden wir in Zukunft noch besser demons­trieren.« ­ 

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In allen Domänen, ob Land, Luft oder See, sind spezifisch angepasste Mate­rialien entscheidend in bewaffneten Konflikten. Wie vor Jahrhunderten die Ritter­rüstungen so haben auch moderne Kampfpanzer die Tendenz, immer schwerer zu werden – und damit auch immer unbeweglicher. Wi­derstandsfähige, leichte Materialien und neue Schutzkonzepte ermöglichen den Bau kleinerer, leichterer Fahrzeuge, die ihre Besatzung genau­so gut schützen. Dabei sind sie beweglicher und verbrauchen weniger Energie für ihren Antrieb. Insbesondere unter dem Aspekt der Verknap­pung von fossilen Treibstoffen ist Gewicht ein wesentliches Kriterium.

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Neben neuen Antriebs- und Regelungs­konzepten sind leichte, aber gleichzei­tig hochtemperaturbeständige Werk­stoffe beim Vorstoß in den Hyperschallbereich unverzichtbar. Hyperschallflugkörper bringen eine neue Qualität: Sie sind schwer zu orten, ma­növrierfähig auch bei höchsten Geschwindig­keiten oberhalb Mach 5, also jenseits der 6000 Stundenkilometer, und verfügen über Reich­weiten von mehreren tausend Kilometern. Sie stellen eine derzeit kaum abwehrbare Bedrohung für hochwertige Ziele dar. Um diese zu sichern, kommt deshalb der Entwicklung neuer Tarnma­terialien immer mehr Bedeutung zu, insbesonde­re auch zum Schutz von Schiffen und U-Booten.

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Quantentechnologie verspricht disruptive Entwicklungen nicht nur im zivilen Bereich. Quantencomputer könnten zukünftig beim Materialdesign eine wichtige Rolle spielen. Ihre Entwicklung ist nur ein As­pekt bei der praktischen Anwendung der Quan­tentheorie, die das Reich des Subatomaren auch für den militärischen Einsatz erschließen soll. Quantenkommunikation, Quantensensoren und nicht zuletzt auch Waffen, die auf Quan­teneffekten beruhen, wie etwa Laser mit Leis­tungen oberhalb 100 kW, sind derzeit bereits in der Entwicklung.

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Maschinelles Lernen und Musterer­kennung bieten inzwischen wertvolle Unterstützung in der Auswertung von Sensordaten oder in der Erkennung von gegne­rischem Verhalten. Wichtig in der militärischen Anwendung sind hier vor allem nachvollzieh­bare Entscheidungsvorgänge (»Explainable AI«) sowie die Störsicherheit eigener, aber auch die Verwirrbarkeit gegnerischer Künstlicher Intel­ligenz (»Adversarial AI«). Das digitale Abbild eines Gefechtsfelds wird auf allen Hierarchie­ebenen verfügbar sein und situationsgerecht die benötigten Informationen übermitteln.

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Raumfahrt wird eine immer stär­kere Rolle in Fragen der Sicherheit einnehmen: Nicht nur Navigation und Kommunikation werden über Satelli­ten abgewickelt werden. Aufklärung, auch aus dem niedrigen Erdorbit und mit je nach Bedarf gestarteten und bedarfsgerecht kon­figurierten Konstellationen, wird zukünftig möglich sein. Unter dem Schlagwort »Respon­sive Space« werden reaktionsschnell inner­halb kurzer Zeit ausgefallene Kapazitäten im Orbit mit eigenen Startmöglichkeiten ersetzt werden.

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Technologie war zu allen Zeiten ein entscheidender Faktor in bewaffne­ten Konflikten. Wer die effektiveren Waffen bauen konnte, hatte einen wesentli­chen Vorteil auf seiner Seite. Schwerter und Schilde aus Bronze waren härter und haltba­rer als ihre Vorläufer aus Kupfer oder Holz und Tierhäuten. Die Entwicklung durchschlags­kräftiger Armbrüste und erster Vorderlader­gewehre setzte der Ära der schwergepanzerten Ritter ein Ende; Flugzeuge haben die Domäne »Luft« als weiteres Gefechtsfeld erschlossen, ihre Kombination mit Schiffen, auf denen sie starten und landen können, ermöglichten globale Machtprojektion. Das Spektrum der Kernwaffen, zusammen mit Trägerraketen und anderen, weitreichenden Transportmit­teln, hat zum Aufstieg der Supermächte ge­führt. Auch heute streben Armeen nach der hochwertigsten Ausrüstung. Dennoch gilt: Die modernste Technologie ist wertlos ohne die Menschen, die wissen, wie sie zu nutzen ist. Entscheidend ist der Unterschied zwi­schen Kampfwert, also der Art und Anzahl der Waffen, und dem Gefechtswert, also der Entschlossenheit und dem Geschick, sie ein­zusetzen. Erst die Kombination aus effektiven Technologien und hoch motivierten, gut aus­gebildeten Soldaten bringt den Erfolg in der Gefechtssituation.

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Trotz aller moderner Technologie behält der 2500 Jahre alte Ratschlag Gültigkeit, von Sun Tzu in »Die Kunst des Krieges« formuliert, dem frühesten über­lieferten Werk über Strategie: »Zu kämpfen und zu erobern ist in allen Deinen Kämpfen nicht das höchste Können; das höchste Kön­nen besteht darin, den Widerstand des Fein­des ohne Kampf zu brechen.«