Highlights aus der Fraunhofer-Forschung

mp3 oder die Fertigstellung des Standards ISO MPEG-1 Layer 3

Erster Prototyp eines MP3-Spielers ohne bewegliche Teile von 1994.
© Fraunhofer IIS

Erster Prototyp eines MP3-Spielers ohne bewegliche Teile von 1994.

Aus heutiger Sicht ist mp3 die erste Generation in einer Reihe von Audiocodierverfahren, die am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS entwickelt wurden. Audiocodier-verfahren speichern Audiosignale deutlich intelligenter ab als z. B. die CD und sparen dadurch Daten ein. Der auch finanzielle Welterfolg von mp3 konnte in der zweiten und dritten Generation wiederholt werden. 

Diese Technologien sind heute in allen Geräten der Unterhal-tungselektronik enthalten. Die vierte Generation befindet sich derzeit in der Phase der Markteinführung, und erste größere Erfolge sind bereits erreicht. Ausschlaggebend für die lange Erfolgsgeschichte ist zum einen die wissenschaftliche Exzel-lenz des Fraunhofer IIS, das in den vergangenen 30 Jahren sämtliche technischen Audiostandardisierungswettbewerbe gegen größte internationale Konkurrenz gewinnen konnte, zum anderen die gelungene Vermarktung der Entwicklungs-ergebnisse mit weit über zehn Milliarden lizenzierten Geräten.

Entwicklung der weißen LED

Als Prof. Jürgen Schneider vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF eine seiner ersten Weißlicht-LEDs einem Kunden präsentierte, verkannte dieser sie als »merkwürdige Büroklammer« und entsorgte sie. Dabei ebnete diese Erfindung den Weg für kostengünstige, energieeffiziente und langlebige Weißlicht-LEDs, wie sie heutzutage aus der Automobilindustrie, Straßen- und Raumbeleuchtung nicht mehr wegzudenken sind.

Bereits 1995 gelang es dem inzwischen verstorbenen Prof. Schneider gemeinsam mit seinem Team am Fraunhofer IAF, weißes Licht mit nur einem Leuchtdiodenchip zu erzeugen. Vorher war dies nur durch die Mischung drei einfarbiger Leuchtdioden mit aufwändiger Regelung möglich.

Das Fraunhofer IAF forscht auch weiterhin an effizienter und zuverlässiger LED-Beleuchtung und entwickelt adaptive LED-Module, die sich beispielsweise dem Biorhythmus des Menschen anpassen.

LEDs gibt es inzwischen in allen Farben. Sie sind besonders energieeffizi-ent, langlebig und nicht mehr aus der Automobilindustrie, Straßen- und Raumbeleuchtung wegzudenken.
© Fraunhofer IAF

LEDs gibt es inzwischen in allen Farben. Sie sind besonders energieeffizi-ent, langlebig und nicht mehr aus der Automobilindustrie, Straßen- und Raumbeleuchtung wegzudenken.

Leistungsstarke Faserlaser

Kurzpuls-Faserlaser des Fraunhofer IOF – bereits im Weltraum erprobt.
© Fraunhofer IOF

Kurzpuls-Faserlaser des Fraunhofer IOF – bereits im Weltraum erprobt.

Faserlaser sind leistungsstarke Strahlungsquellen für wissenschaftliche und industrielle Anwendungen. Eine Schlüsselanwendung für die Entwicklung von Faserlasern ist die Lasermaterialbearbeitung in der Produktion.

Aber auch in anderen Branchen wie Raumfahrt oder Medizin sind leistungsstarke, effiziente und robuste Laser mit hoher Strahlqualität sehr gefragt. Deshalb entwickelten Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer-Institut für Optik und Feinmechanik IOF in Jena eine neue Generation von Lasersystemen mit verbesserten Parametern. Diese Faserlasersysteme erreichen Leistungswerte von mehreren Kilowatt mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität.

Im Jahr 2013 erhielt ein Projektteam vom IOF und der Friedrich-Schiller-Universität Jena für ihre Forschung zum Thema »Ultrakurzpulslaser für die industrielle Massenfertigung – produzieren mit Lichtblitzen« den Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten. Das Team entwickelte Werkzeuge auf der Basis von Lasern, die das Licht in Form ultrakurzer und energiegeladener Pulse aussenden. Insgesamt wird am IOF seit rund 20 Jahren Spitzenforschung zum Thema Hochleistungsfaserlaser betrieben.

Algorithmen für die Leberchirurgie – weltweit sicherer operieren

Leberkrebs ist die weltweit zweithäufigste Ursache für krebsbedingte Todesfälle und nimmt im Gegensatz zu anderen Krebsarten weiter zu. Die chirurgische Entfernung der Krebsherde ist für Mediziner aufgrund der komplexen Gefäßsysteme der Leber und der individuellen Lage der Tumoren eine schwierige Aufgabe.

Am Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS wurde eine Software entwickelt, die radiologische Daten analysiert und die seit 2014 als Medizinprodukt eines Industriepartners in Krankenhäusern verfügbar ist. Damit können Chirurgen auch schwierige Eingriffe vorab planen und das Risiko eines postoperativen Leberversagens minimieren. Gemeinsam mit Klinikern weltweit wurde ein Standard geschaffen, der als MEVIS-Analyse in der Leberchirurgie bekannt ist und für den Wissenschaftler von MEVIS im Jahr 2018 den Joseph-von-Fraunhofer-Preis erhielten.

Planung und Risikoanalyse für die chirurgische Entfernung eines zentral gelegenen Lebertumors.
© Fraunhofer MEVIS

Planung und Risikoanalyse für die chirurgische Entfernung eines zentral gelegenen Lebertumors.

E³ – industrielle Produktion neu gedacht

Gebäudeleittechnik
© Fraunhofer IWU

Wie lässt sich nachhaltig maximale Wertschöpfung bei minimalem Ressourceneinsatz schaffen?

13 Fraunhofer-Institute haben diese Frage mit dem ganzheitlichen Konzept der E³-Produktion beantwortet. Die drei E stehen dabei für effiziente Prozesse und Produkte, effiziente Fabriken und effiziente Arbeitswelten. So entwickelten die Wissenschaftler zwischen 2013 und 2016 unter Koordination des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU unter anderem ganzheitliche Lösungen für den flächendeckenden Einsatz erneuerbarer Energien in der Produktion, intelligente Assistenzsysteme, die den Menschen in der Produktion kognitiv und physisch stärken, sowie material- und energieeffiziente Fertigungsverfahren.

Viele Erkenntnisse aus dem E³-Leitprojekt haben Maßstäbe gesetzt und sind in Folgevorhaben eingeflossen, beispielsweise in das Kopernikus-Projekt SynErgie. Mit Kopernikus, der bislang größten Forschungsinitiative zur Energiewende, will das Bundesministerium für Bildung und Forschung die Wissenschaft, die Industrie und private Anwender dabei unterstützen, Grundlagenforschung zügig zur Anwendung zu bringen.

Weltrekorde: Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie

Szenarien von Energiesystemen weisen übereinstimmend Photovoltaik neben Wind als zentrale Säule der zukünftigen Energieversorgung aus. Dank des technologischen Fortschritts sowie Skalen- und Lerneffekten fielen die Kosten für Solarstrom seit 2006 um 75 Prozent. In Deutschland kann heute konkurrenzfähig Energie aus Photovoltaikkraftwerken für vier bis fünf Eurocent pro Kilowattstunde geliefert werden. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE leistet als größtes europäisches Solarforschungsinstitut hierzu schon viele Jahre einen wesentlichen Beitrag.

Seit seiner Gründung 1981 erzielt das Institut immer neue Effizienzrekorde für Solarzellen und trägt zum weltweiten Erfolg der Photovoltaik bei: So hält es seit 2017 mit 22,3 Prozent den Weltrekordwirkungsgrad für multikristalline Siliciumsolarzellen. Ebenso verhält es sich mit dem absoluten Weltrekord für die Wandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie von 46,1 Prozent. Diesen erreichten die ISE-Fachleute mit einer Mehrfachsolarzelle auf Basis von III-V-Halbleitern unter konzentrierter Sonnenlichteinstrahlung.

Weltrekord für die Wandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie, eine Mehrfachsolarzelle auf Basis von III-V-Halbleitern, Wirkungsgrad 46,1 Prozent.
© Fraunhofer ISE

Weltrekord für die Wandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie, eine Mehrfachsolarzelle auf Basis von III-V-Halbleitern, Wirkungsgrad 46,1 Prozent.

TaraxagumTM – Reifen aus Löwenzahn

Russischer Löwenzahn – Latex am Wurzelanschnitt.
© Fraunhofer IME

Russischer Löwenzahn – Latex am Wurzelanschnitt.

Im Projekt »TaraxagumTM« dreht sich alles um den russischen Löwenzahn. Das Besondere an dieser Pflanze: Sein Milchsaft enthält größere Mengen an Kautschuk. Prof. Dirk Prüfer, Professor an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster und Abteilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME, und sein Team entwickelten den russischen Löwenzahn in Zusammenarbeit mit dem Pflanzenzuchtunternehmen ESKUSA, der Continental Reifen Deutschland GmbH und dem Julius Kühn-Institut innerhalb weniger Jahre von einer Wild- zu einer Nutzpflanze. Seine Verwendung als alternativer Naturkautschuklieferant stand dabei stetig auf den Prüfstand.

Die Produkte, Auto-, LKW- und Fahrradreifen, bestanden den Praxistest. Die Erfolgsstory geht weiter, Ende 2018 weihte Continental das Forschungs- und Versuchslabors »Taraxagum Lab Anklam« ein. Lokal gewonnener Naturkautschuk wird lange Transportwege und so CO2-Emissionen einsparen.

High Efficiency Video Coding (HEVC)

Komprimierte Videodaten wachsen rasanter als je zuvor. Bereits heute bilden sie den mit Abstand höchsten Anteil von Bits im Internet und im mobilen Datenverkehr. Darüber hinaus nutzen heutige ultrahochauflösende Fernsehgeräte die vierfache Full-HD-Auflösung 4K. Dieser Trend zu qualitativ höherwertigen und höher aufgelösten Bildern und Videos geht jedoch auch mit einer stetig wachsenden Datenmenge einher. Um diese möglichst effizient übertragen zu können, bedarf es einer immer besseren Komprimierung. Der Standard H.265/High Efficiency Video Coding (HEVC) bietet diese hocheffiziente Kompression. Er wurde vom Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI gemeinsam mit namhaften Herstellern aus den Bereichen Mobilfunk und Unterhaltungselektronik entwickelt und 2017 mit einem Primetime Engineering Emmy Award ausgezeichnet.

Momentan wird an der Standardisierung des HEVC-Nachfolgers Versatile Video Coding (VVC), an dem das Fraunhofer HHI erneut maßgeblich beteiligt ist, gearbeitet. VVC soll im Jahr 2020 50 Prozent Bitdatenreduktion gegenüber HEVC erreichen.

Mobiles Fernsehen - H.264 machte es möglich.
© istock

Mobiles Fernsehen - H.264 machte es möglich.