Wissenschaft, die schützt

In der Deutschen Bucht soll nun das Projekt ELO (Echtzeitlagebild Offshore) einen ersten großen Schritt in Sachen Schutz der Infrastruktur tun. Innerhalb des Projekts wird ein Echtzeit-Lagebild für maritime Notfallsituationen aufgebaut. Dafür werden Bilder und Videos verschiedener Quellen genutzt, die unter anderem von Drohnen geliefert werden.

Der Einsatz dieser Technologie soll nicht nur bei der Rettung havarierter Schiffe unterstützen, sondern trägt auch dazu bei, kritische Infrastrukturen wie Häfen oder Offshore-Windparks vor illegalen Aktivitäten wie Sabotage zu schützen, indem Bedrohungen frühzeitig erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.

Beteiligt am Projekt ELO ist das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM mit seinem Offshore Drone Campus Cuxhaven. Aufgabe von Kai Brune und seinem Team ist die Einbindung von Drohnensystemen in das Betriebskonzept des Lagezentrums sowie die automatisierte Erzeugung von Bild- und Videomaterial in der Deutschen Bucht. Die ­Bilder einer viele Kilometer entfernt fliegenden Drohne hochauflösend und ruckelfrei auf die Bildschirme des Lagezentrums zu übertragen, stellt eine enorme Herausforderung dar. 

Als Fluggerät für den Einsatz über der Nordsee nutzen die Forschenden die S360Mk.II des Projektpartners Hanseatic Aviation Solutions. Mit einer Spannweite von 3,60 Metern ist das Fluggerät für den Einsatz über dem offenen Meer bestens geeignet. »Mit diesem System wurden schon Flüge nach Helgoland und zurück mehrmals erfolgreich realisiert«, lobt Brune.

Wenn es darum geht, Drohnen für den fordernden Flug über Nord- und Ostsee fit zu machen, ist das Fraunhofer IFAM eine der ersten Adressen in Europa. Neben dem Standort Cuxhaven betreibt das Institut gemeinsam mit dem Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH (DFKI) das Testzentrum für Maritime Technologien auf Helgoland. Hier werden unter anderem Drohnen-Technologien für den Einsatz unter extremen Offshore-Bedingungen getestet.

Sobald kritische Infrastrukturen auf dem Meeres­boden bedroht sind, ist es wichtig, auch hier mit mobilen Systemen präsent zu sein. Gefragt sind unbemannte Unterwasserfahrzeuge mit leistungsfähiger Sensorik, langlebigen Akkus und KI-Steuerung. Sie müssen robust genug sein, um auch in Tiefen von bis zu 1000 Metern ihre gefährlichen Aufgaben zu erledigen. Das Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB mit dem Institutsteil Angewandte Systemtechnik AST in Ilmenau stellt dafür eine Forschungsplattform zur Verfügung. Ein Testbecken bietet die Möglichkeit,  Hard- und Software für Unterwasserfahrzeuge sowie -komponenten zu entwickeln und zu erproben. Eine Druckprüfanlage testet Baugruppen auf Dichtigkeit und Stabilität.

Zum Drohnen-Know-how gehört auch das Wissen, wie sich die Fluggeräte erkennen und abwehren lassen, wenn sie sich unerlaubt in der Nähe von Standorten der Bundeswehr, von Flughäfen oder von Kraftwerken bewegen.

Bisher geschieht das durch Radarsysteme oder Kameras. Die Systeme sind technisch aufwendig und benötigen viel Energie. Zudem sind Radaranlagen durch die ausgesandten Funkwellen leicht zu entdecken. In beengten urbanen Gebieten oder in der Nähe von Krankenhäusern oder Wohngebäuden lassen sich Radarsysteme wegen des schädlichen Elektrosmogs gar nicht betreiben.

Dr. Christian Steffes vom Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE hat eine Lösung: Passivradar. Solche Anlagen senden selbst keine Wellen aus. Sie machen sich die Tatsache zunutze, dass fliegende Objekte auch Mobilfunkstrahlung reflektieren. Passivradar kann aus Unterschieden zwischen den direkten Signalen der Mobilfunkbasisstation und den eintreffenden Wellen des Objekts Werte wie Entfernung, Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit ermitteln. Die Technik setzt dabei nicht nur auf frei zugängliche Mobilfunknetze, sondern auch auf LTE 450. Dieser Mobilfunkstandard wurde speziell für die sichere Kommunikation der Betreiber kritischer Infrastrukturen entwickelt. Er ist besonders ausfallsicher und robust.

Es gibt eine Einschränkung. »So genau wie konventionelle Radaranlagen arbeitet Passivradar nicht«, sagt Steffes. »Doch wenn Drohnen oder Drohnenschwärme erst einmal detektiert wurden und Aufklärungsbedarf besteht, dann nutzen wir weitere Sensoren wie Kameras oder Aktivradar.« Das Fraunhofer FKIE hat deshalb eine Fusion Engine erarbeitet, die alle Sensordaten zusammenschaltet, kombiniert und auswertet. Solche Multisensorsysteme werden immer wichtiger bei Sicherheits- und Verteidigungstechnologien.

Prof. Werner Riedel ist Chief Scientist Defence am Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, daneben Honorarprofessor an der Hochschule Furtwangen und Gastprofessor an der renom­mierten NTU Singapur. Zudem hat er auf EU-Ebene jahrzehntelange Erfahrung in der zivilen und militärischen Sicherheitsforschung.

Er begrüßt den Fokus auf die Drohnentechnik. »Drohnen werden in den nächsten Jahren für Szenarien der Verteidigung und Sicherheit von zentraler Bedeutung sein. Damit wir mithalten können, müssen wir in Deutschland und europaweit intensiv an der Weiterentwicklung und Integration forschen.«

Eine Technologie, um Drohnen unschädlich zu machen, entwickelt das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF. Das Forschenden-Team arbeitet dabei mit Lasertechnik mit einer Wellenlänge von zwei Mikrometern. Hochleistungslaser, die in der Lage sind, auch viele Kilometer entfernte Objekte zu treffen, nutzen bisher ein Mikrometer. Allerdings ist in diesem Wellenbereich nicht nur der Laserstrahl selbst, sondern auch das von Objekten reflektierte Laserlicht schädlich für die Augen. Deshalb ist der Einsatz in dicht besiedelten Gebieten nicht erlaubt.

Die Streustrahlung bei zwei  Mikro­meter dagegen wird von Wasser absorbiert, also auch von der feuchten Hornhaut des Auges. Daher geht von ihr eine deutlich geringere Gefährdung für die Augen aus. Um diese Wellenlänge zu erzeugen, haben die Fraunhofer-Forschenden Glasfaser mit der Seltenen Erde Thulium versetzt und eine spezielle Optik entwickelt. Drei Laserstrahlen werden durch ein Beugungsgitter zu einem Strahl vereint. Möglich wird dies auch durch die verbesserte Kühlung der Fasern. Gleichzeitig reflektiert das Gitter mehr als 99 Prozent des Laserlichts und erhitzt sich deshalb nicht so stark.

Dr. Thomas Schreiber, Leiter der Abteilung für Laser- und Fasertechnologie am Fraunhofer IOF, sagt: »Durch die punktgenaue Wirkung des Laserstrahls lässt er sich einsetzen wie ein Skalpell. In einem Kilometer Entfernung hat er einen Querschnitt von etwa einem Zentimeter. Man könnte damit bei einer anfliegenden Drohne genau auf die Steuerelektronik zielen.« Auch Seefregatten der Bundeswehr wären mit dem Hochleistungslaser in der Lage, sich gegen anfliegende Objekte zu wehren. Ein Vorteil dabei: Der Laser benötigt keine Munition, die gelagert und nachgefüllt werden muss. 

Wo sich intelligente Abwehrsysteme mit intelligenten Drohnen oder Drohnenschwärmen einen Kampf liefern, gibt es auch positive Aspekte: Wenn Maschinen gegeneinander antreten, kommt erst mal kein Mensch zu Schaden.

Allerdings werden in der Welt von KI, Software und autonomen Systemen die Bedrohungsszenarien komplizierter. Stichwort: hybrider Angriff. Hans Peter Stuch, Forschungsgruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE, mag das Wort »hybrid« nicht. »Es wird inflationär verwendet. Echte hybride Angriffe sind koordinierte Attacken, die aus unterschiedlichen Domänen kommen.« Ein Beispiel: In sozialen Netzwerken häufen sich kritische Posts gegen die Bahn. Im Web startet ein Cyberangriff gegen eine Stellwerksanlage. Unbekannte attackieren eine Stromleitung. In jeder Domäne scheint der Angriff nur als Nadelstich und nicht schwerwiegend zu sein. In der Summe bilden sie jedoch eine erhebliche Bedrohung oder richten enormen Schaden an.

Das Team am Fraunhofer FKIE arbeitet deshalb an einem System, das Infos aus unterschiedlichen Domänen sammelt, Daten von physischen Sensoren wie beispielsweise Überwachungskameras oder Funkempfänger und von Software-Tools, die im Netzwerk Malware-Attacken registrieren. Hinzu kommen Beobachtungen in sozialen Medien, etwa wenn plötzlich bestimmte Schlagwörter gehäuft auftreten. Alle Infos werden in einer Lagedarstellung zusammengefasst und visualisiert. In der Zusammenschau wird sichtbar, dass die unterschiedlichen Vorgänge in unterschiedlichen Domänen tatsächlich zusammenhängen, auch wenn sie zeitlich weit getrennt sind.

Damit die Sicherheitsverantwortlichen bei Cyberattacken richtig reagieren, bieten die Expertinnen und Experten des Fraunhofer FKIE regelmäßig Sicherheitsschulungen an. Kunden sind vor allem Energieversorger und Netzbetreiber, das Interesse ist in den vergangenen Jahren gestiegen. »In vielen Fällen hapert es in der Kommunikation und Koordination. Auch unklare Zuständigkeiten sind ein Risikofaktor«, berichtet Dr. Martin Serror, selbst Dozent für Cybersicherheit. »Bei unseren Schulungen sind deshalb die Themen Kommunikation und Koordination ganz wesentlich. Wir bieten eine realitätsnahe und für den jeweiligen Kunden maßgeschneiderte Simulationsumgebung. Typischerweise müssen die Teilnehmenden zunächst Alltagsaufgaben erledigen und werden dann plötzlich mit einem Cyberangriff konfrontiert.«  

Das vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) unterstützte Projekt ­HERAKLION hat sich »heuristische Resilienzanalysen für Kommunen mittels Datenraumfunktionalitäten« als Ziel gesetzt. Was klingt wie eine abstrakte wissenschaftliche Studie, kann Leben retten. »Durch Heraklion wissen Einsatzkräfte beispielsweise bei einer Flutkatastrophe schon vorab, welche Umwege sie wegen Überschwemmungen fahren müssen, wie viele Personen, Gebäude und kritische Infrastrukturen betroffen sind und welche Turnhallen für evakuierte Menschen erreichbar sind«, sagt Dr.-Ing. Kai Fischer, Gruppenleiter Robustheits- und Resilienzanalysen am Fraunhofer EMI.

Um die dafür nötigen Informationen zu gewinnen, führt Heraklion Daten aus verschiedenen Quellen effizient zusammen: Bevölkerungsstruktur, Wetterdaten, Waldbrandrisiko, Hochwasser- oder Starkregengefahren­karten und vieles mehr. Um die Information aus den Datenanalysen auf dem Dashboard möglichst praxisnah zu gestalten, haben die Entwickler von Anfang an mit Mitarbeitenden des Katastrophenschutzes und Einsatzplanern zusammengearbeitet. 

Für Fachmann Werner Riedel lassen sich Zivilschutz und Verteidigungstechnik immer weniger trennen: »Hier wächst zusammen, was schon immer zusammengedacht werden sollte. Resiliente Infrastrukturen, Schutz der Zivilbevölkerung und Verteidigung betreffen am Ende vielfach dieselben Themen, Strukturen und Fähigkeiten.«

Fraunhofer VVS-Geschäftsführerin Caroline Schweitzer ergänzt: »Verantwortungsvoll gehandhabt, dienen zivile als auch wehrtechnische Forschung dem Nutzen der gesamten Gesellschaft. Sie unterstützen gleichzeitig beim effizienten Einsatz der finanziellen Mittel.«

Ein schönes Beispiel für das Verschmelzen von ziviler Technik und militärischem Gewinn ist RISK.twin. Bei dem Vorhaben, an dem sich das Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE mit der Universität der Bundeswehr München und dem Softwareunternehmen NetApp beteiligt, geht es darum, Digitale Zwillinge von Brücken zu generieren, um ein smartes Instandhaltungsmanagement zu ermöglichen.

Die Brücken werden mit Sensoren bestückt, die Werte wie Schwingungen, Dehnungen und Temperatur messen. Zusammen mit den Basisdaten der jeweiligen Brücke erlaubt dies die Einschätzung ihrer Auslastung und ­Tragfähigkeit. Die Sensordaten lassen sich sogar im Stundentakt in einem Lagezentrum auf einem Dashboard aktualisieren. In einem Verteidigungsfall, wenn NATO-Truppen in Deutschland operieren, könnten diese ihre Marschrouten besser planen. Militärfahrzeuge sind ­häufig Schwergewichte, dementsprechend sind die Funktionsfähigkeit und die Tragfähigkeit einer Brücke eine hochrelevante Information. Bei Brücken, die durch Attacken beschädigt wurden, geben die Sensoren Auskunft darüber, bis zu welchem Gewicht sie noch gefahrlos passierbar sind.

Über clevere Sensoren hinaus, jenseits von Software-Tools und Dashboards kann eine Forschungsorganisation wie die Fraunhofer-Gesellschaft noch mehr beitragen zur zukünftigen Sicherheit, zeigt sich Professor Riedel überzeugt: »Durch unseren Einblick in die Spitzenforschung erkunden wir, welche Technologiethemen in ­einigen Jahren relevant werden, und sehen auch die entsprechenden Lücken in Industrieprojekten. Hier platzieren wir gezielt unsere Vorlaufforschung, wie beispielsweise Promotionsthemen. Das macht auch einen großen Teil der Innovationskraft und der Kreativität der Fraunhofer-Forschenden aus.« 

Aktuell sind Hyperschallwaffen eine der großen, bisher ungelösten Fragen jeder Verteidigung. Hyperschall-Flugkörper bewegen sich mit Geschwindigkeiten ab Mach 5, also mehr als 1700 Metern pro Sekunde. Sie sind nicht nur schnell, sie können auch niedrig fliegen und sind extrem manövrierfähig. Bisher ist die Abwehr dieser Objekte sehr schwierig. Denn im Hyperschall ist eigentlich alles anders: Treibstoff, Flugfähigkeit, Materialien, Aerodynamik, Sensorik, Navigation, alles muss neu gedacht werden. So wird die Steuerelektronik sehr heiß, die Reibungshitze erreicht bis zu 3000 Grad Celsius. Das an der Oberfläche der Flugkörper entstehende Plasma beeinträchtigt zudem die Radarsignaturen.

Prof. Daniel O‘Hagan hat Antworten, wie Verfolgung und Abwehr trotzdem gelingen können. Die Liste seiner Jobtitel und Aufgaben ist beeindruckend. Er hat in Radartechnologie promoviert, ist Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR, Chief Scientist und Koordinator für Hyperschalltechnologie des Fraunhofer VVS und »Chair of NATO TG SET 296 Radar Against Hypersonic Threats«. Mit der Bundeswehr hat er einen internationalen Workshop zum Thema gegründet. Sein Terminkalender war immer schon voll. Seit dem Ukraine-Krieg und dem Einsatz russischer Hyperschallwaffen ist er noch ein bisschen voller.

O‘Hagan setzt seine Hoffnungen auf ein mehrschichtiges Multisensorsystem zur Abwehr von Hyperschallraketen, das Radarsensoren sowie elektro-optische und Infrarotkameras (EO/IR) miteinander vernetzt. Ein Schlüsselelement der Frühwarnung ist das Skywave Over-the-Horizon Radar (OTHR). Durch den niedrigen Anflug tauchen Hyperschallwaffen erst spät über dem Horizont auf, wo sie für traditionelle Radare sichtbar werden. Bei der hohen Geschwindigkeit bleiben dann nur kurze Reaktionszeiten. Die Over-the-Horizon-Systeme machen sich zunutze, dass Radar bei Wellenlängen zwischen 3 und 30 Megahertz von der Ionosphäre reflektiert wird und durch die Spiegelung auch Gebiete jenseits des Horizontes »beleuchtet«. Indem die Systeme die reflektierten Wellen erfassen, können sie auch Flugobjekte detektieren, die eigentlich außerhalb des direkt beleuchteten Winkels fliegen. 

»Kein System ist alleine imstande, alle Funktionen zu leisten, die für die Erkennung und Verfolgung von Hyperschallflugkörpern erforderlich sind«, warnt O’Hagan vor zu großen Erwartungen. »Ähnlich wie bei den Drohnen liegt der Schlüssel in der Kombination unterschiedlicher Techniken, beispielsweise im Zusammenspiel der Satellitenüberwachung mit verschiedenen boden- und luftgestützten Radarsystemen.«

Für die Fraunhofer-Forschenden sind die Technologien für Zivilschutz, kritische Infrastrukturen und Verteidigung nicht nur eine technische Herausforderung, sondern auch eine gesellschaftliche Aufgabe. Wie Christian Steffes sagt: »Wir müssen den Menschen in Deutschland und Europa wieder das Gefühl geben, dass wir auf Krisen schnell und wirksam reagieren. Dann verschwindet auch das Gefühl der Unsicherheit.«

Und wer dann mit dem Boot auf die Nordsee hinausfährt, tut das im beruhigenden Wissen, dass die Leitungen, Kabel und Pipelines auf dem Meeresboden gut geschützt sind.