Landlust statt Landfrust Start-up: eine App für die meisten Deutschen 5 2 | 1 Wir sind auf dem Sprung Wirtschaft & Wissenschaft: Transfer für unsere Zukunft Violetta Schumm, Fraunhofer IGCV »Fraunhofer denkt den Transfer schon mit!« Ministerpräsident Daniel Günther im Interview Kleine Quanten, große Wirkung Wie neues Computing neue Lösungen schafft

Scheideweg: Es ist unsere Entscheidung Von Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka Deutschland steht an einem Scheideweg. Diesen Satz wer- den Sie in den zurückliegenden Wochen häufiger gehört und gelesen haben – und das meist in einem Kontext, der Ihnen wenig Zuversicht vermittelt haben dürfte. Lassen Sie mich an dieser Stelle den so oft beschworenen »Scheide- weg« einmal positiv einordnen. Ein Scheideweg ist ein Ent- scheidungsweg. Entscheiden wir uns jetzt – und stellen die Weichen für Deutschland und Europa in Richtung einer besseren Zukunft. Wir haben die Zahlen nicht vergessen. Das letzte Quartal des vergangenen Jahres war mit einem Gesamtrückgang von 2,5 Prozent das sechste Quartal in Serie mit einer ne- gativen Umsatzentwicklung für die deutsche Industrie. Die Chemieproduktion sank im Schlussquartal um vier Pro- zent. Der Umsatz der 22 300 deutschen Industrieunterneh- men brach 2024 um fast vier Prozent ein. Besonders stark betroffen: ausgerechnet unsere deutschen Schlüsselbran- chen Autoindustrie, Metallbranche und Elektrotechnik. Das ist die Vergangenheit. Lassen Sie uns gemeinsam den »Scheideweg« in Richtung Zukunft betreten. Was mich zuversichtlich macht? Es ist die Innovations- kraft, wie ich sie bei unserer Fraunhofer-Gesellschaft Tag für Tag erleben darf. Die direkte Umsetzung von Erfin- dungsreichtum in wirtschaftlichen Reichtum ist unsere Kernkompetenz. Sie macht Fraunhofer im Orchester der Forschungsorganisationen so einzigartig. Um uns diese Einzigartigkeit und unseren Anspruch, Forschung in die Anwendung zu bringen, als tägliche Herausforderung be- wusst zu machen, haben wir uns für die 365 Tage dieses Jahres ein Motto gegeben. Es heißt: Fraunhofer – Transfer für unsere Zukunft. Auf diese Zukunft blicken wir nicht blauäugig. Forschung braucht, wenn sie gelingen soll, Voraussetzungen. Verläss- lichkeit ist die eine. Klarheit eine andere. Hier ist die Politik gefordert. Ein Transferfreiheitsgesetz für das gesamte In- novationssystem kann den Rechtsrahmen modernisieren und mehr Freiheiten und Flexibilitäten für Wissens- und Technologietransfer in Deutschland schaffen. Eine koordi- nierte Innovationspolitik verringert bürokratische Struk- turen und bringt die Idee in die industrielle Umsetzung. Innovationsanreize können Unternehmen – und hier gera- 1 | 25 Editorial Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka de den Mittelstand – belohnen, wenn sie den Mut zeigen, in frühen Technologie-Reifegraden einzusteigen. Wenn ich hier an die Politik appelliere, dann weiß ich, dass bei vielen Politikerinnen und Politikern das Bewusstsein für die Bedeutung der Innovation bereits besteht. Daniel Gün- ther, der Ministerpräsident des Landes Schleswig-Holstein, nennt Forschung im Interview in diesem Fraunhofer-Maga- zin einen der wichtigsten Rohstoffe unseres Landes. Und er fügt hinzu: »Wir müssen nur den Transfer manchmal etwas besser und dynamischer gestalten. Das macht Fraunhofer ja auf beispielhafte Art und Weise.« Uns bei Fraunhofer ist da- bei wichtig, den Begriff Transfer deutlich differenzierter als bislang zu betrachten. Fraunhofers Stärke liegt hier in den Transferpfaden Auftragsforschung, Lizenzgeschäft und Start- ups. Wie strahlend die dabei entstehende Innovationskraft ist, beweist wieder einmal die Hannover Messe, die seit mehr als sieben Jahrzehnten die richtigen und die wichtigen Inno- vationsakteure zusammenbringt. Lassen Sie uns die Stärken, Vorteile und Alleinstellungsmerkmale als Wissenschafts- und Industriestandort ausbauen und etablieren: als einen echten Leuchtturm mit internationaler Anziehungskraft. Ihr Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft — Digitale Transformation »Made in Germany« – Innovationspartnerschaften zwischen Forschung und Industrie/Keynote auf der TRANSFORM, Berlin 3 r e i e m r e b O n a f e t S / r e f o h n u a r F : o t o F

30 NATO im Dauerkontakt Per »In-Band Full-Duplex« können Funkpartner künftig gleichzeitig senden und empfangen 36 Kleine Quanten – große Wirkung Statusbericht aus der Quanten- physik: Wo winzige Teilchen bereits Großes bewirken 48 Rechner mit Superkraft Mehr Technologie-Souveränität: Fraunhofer arbeitet mit an Deutschlands erstem Quanten- computer 50 Ein Zwilling für jeden Vorbeugen statt heilen: Der Digitale Patientenzwilling könnte die Medizin revolutionieren 53 Implantate individualisieren Eine am Fraunhofer IAP entwickelte Biotinte kann Gelenkschmerzen lindern. 1 | 25 76 Energie der Zukunft Die Kernfusionsforschung wird angetrieben von der Idee einer nachhaltigen Energiegewinnung. 50 Doppelgänger aus Daten Erkennen wir dank Künstlicher Intelligenz künftig Erkrankungen, noch bevor sie Leid verursachen? y r o t a r o b a L l a n o i t a N e r o m r e v i L e c n e r w a L , 53 Verstärkung fürs Knie – 74 Foto & Fraunhofer aus dem 3D-Drucker Mit innovativen Biopolymeren die Gelenkarthrose bekämpfen Mehr Löschkraft: Innovatives Verfahren zur Bekämpfung von Großbränden 54 Schneller geheilt KI und Mini-Organe aus der Petrischale bringen Tempo in die Arzneimittel-Entwicklung 58 Hilfe für die Helfenden Mit Algorithmen Zeit sparen: Eine Fraunhofer-Ausgründung unterstützt Pflegedienste bei der Tourenplanung 60 Fraunhofer international 62 Auf dem Weg zum Freischwimmer Auf einem Tagebausee in Ost- deutschland wird nun Sonnen- energie geerntet 68 Hugo-Geiger-Preise Drei Fraunhofer-Forscherinnen für herausragende Promotions- arbeiten ausgezeichnet 76 Nach dem Vorbild der Sonne Entscheidende Fortschritte auf dem Weg zum Fusionskraftwerk 79 Fraunhofer vor Ort 25 033 Patentanmeldungen im Jahr 2024: Damit führt Deutschland das Europa-Ranking des Patent Index 2024 an; weltweit reichten nur die USA mehr Patente ein. Im globalen Vergleich der For- schungs institutionen belegt die Fraunhofer- Gesellschaft (517 An- meldungen) Platz 2 nach dem französi- schen CEA. o t o h p k c o t s i / s a t o n r e B s i t y R , f r 3 2 1 / l i v e d k c o t S , d a r n o K n a m r o N , t l r A n a i t s a b e S , a p d / s u i s i r a h C n a i t s i r h C : t l a h n I s o t o F 5 ; a p d / s u i s i r a h C n a i t s i r h C , t l r A n a i t s a b e S , d a r n o K n a m r o N : e t i e s k c ü R d n u r e v o C s o t o F

1 | 25 Innovative Lasertechnik hilft kurzsichtigen Kindern Mikrolinsen in Brillengläsern hemmen die wachstumsbedingte Verschlechterung von Kurzsichtigkeit bei Kindern. Eine neue Me- thode, mit der sich die heilsamen Linsen kos- tengünstiger und individualisiert herstellen lassen, haben Forschende des Fraunhofer-Ins- tituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS entwickelt. Beim innovati- ven Laser Swelling werden Kunststoffe, die für Brillengläser genutzt werden, mit einem fokussierten Infrarot-Laser bestrahlt. »Da sich der Laserstrahl sehr präzise auf Oberflä- chen positionieren lässt, können wir deutlich kleinere Mikrolinsen herstellen als mit dem bisherigen Verfahren«, erklärt Prof. Thomas Höche, Leiter des Geschäftsfelds Optische Materialien und Technologien am Fraunho- fer IMWS. »So lassen sich die Mikrolinsen auf Brillengläsern sehr flexibel anordnen – und können damit individuell auch auf kleine Brillenträger zugeschnitten werden.« Durch einen überlagernden Brennpunkt in der Peripherie verlangsamen die Mikrolin- sen das Längenwachstum des Augapfels, das Stark unter Wasser l a c i r e m u L s y s n A s l e t t i m t g u e z r e , M Z I r e f o h n u a r F , a p d / R E K O R B e g a m i / r e i e m h c a B n a i r o l F , o t o h p k c o t s i i e d e b / e p p o n e r a k l , i i a n h e n S a n o A l i : s o t o F In Glas integrierte Lichtleiter können die Messqualität von Sensoren deutlich verbessern. An einem Sensor für die Dichtemessung von Meerwasser arbeiten Forschende des Fraun- hofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikro - integration IZM. Damit könnten deutlich bessere und einheitlichere Klimamodelle er- stellt werden. Der innovative Sensor nutzt das Prinzip des Interferometers, das die Überlage- rung von Lichtwellen misst. Aktuell erfassen das Fortschreiten der Kurzsichtigkeit verur- sacht. So kann auch möglichen Folgeerkran- kungen der Kurzsichtigkeit vorgebeugt werden: Netzhautablösungen, grauem Star oder Ma- kuladegeneration. Dank Mikrolinsen beim nächsten Sehtest glänzen. Dichtesensoren die elektrische Leitfähigkeit des Meerwassers, aus der sich seine Dichte er- schließen lässt. Dieser Prozess stützt sich je- doch auf weltweit unterschiedliche Referenz- werte. Eine unmittelbarere, rein optische Mes- sung mittels des neuen Sensorkonzepts würde eine deutlich höhere Auflösung und eine Stan- dardisierung der Messergebnisse ermöglichen. Der innovative Sensor ist nur einer von mehreren neuartigen Sensortypen, die das Fraunhofer IZM-Forschungsteam im Projekt 3DGlassGuard gemeinsam mit Partnern ent- wickelt. Das Ziel des Konsortiums: die Mess- qualität von Sensoren für Forschung und Industrie mithilfe von in Glas integrierten Lichtleitern deutlich zu verbessern. Aktuell arbeiten die Wissenschaftlerinnen und Wis- senschaftler an der Umsetzung der Demons- tratoren, um diese dann Funktionalitätstests zu unterziehen. 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: Monika Landgraf (V.i.S.d.P.), Josef Oskar Seitz (Chef redak tion), Dr. Sonja Endres, Beate Strobel Redaktionelle Mitarbeit: Dr. Janine van Ackeren, Mandy Bartel, Meike Grewe, Sirka Henning, Andrea Kaufmann, Michael Krapp, Manuel Montefalcone, Dr. Monika Offen- berger, Laura Rottensteiner-Wick, Mehmet Toprak, Yvonne Weiß Layout + Litho: Vierthaler & Braun Titelbild und Fotografie der Titelstrecke: Norman Konrad Fotografie Quanten: Sebastian Arlt Druck: be1druckt GmbH, Nürnberg © Fraunhofer-Gesellschaft e.V. München 2025 Fraunhofer in Social Media: @Fraunhofer www.facebook.com/ fraunhoferde www.instagram.com/ fraunhofergesellschaft www.linkedin.com/company/ fraunhofer-gesellschaft www.youtube.com/ fraunhofer 1 | 25 Zwischen 2005 und 2023 hat sich die Zahl der Menschen mit der Diagnose schwarzer Hautkrebs mehr als verdoppelt. KI-Scanner erkennt Melanome schnell und sicher Frühzeitig entdeckt, hat Hautkrebs gute Heilungschancen. Ein KI-basierter Ganzkörperscanner beschleunigt und verbessert zukünftig die Diagnose. I n nur sechs Minuten untersucht der innovative Scanner mithilfe eines kognitiven KI-Assistenten den kompletten Körper und liefert für je- de auffällige Hautveränderung eine Risi- kobewertung. 20 Partner entwickeln das Diagnosesystem im EU-Projekt iToBoS. Ein Forschungsteam des Fraunhofer-In- stituts für Nachrichtentechnik, Heinrich- Hertz-Institut, HHI sorgt dafür, dass die eingesetzten KI-Systeme zuverlässig und sicher sind. Dafür nutzen die Wis- senschaftlerinnen und Wissenschaftler XAI-Methoden, die die KI-Prognosen er- klärbar machen. Der Scanner ist das Herzstück der eben- falls im Projekt entwickelten cloudbasier- ten KI-Diagnoseplattform, in der Gesund- heitsdaten aus verschiedenen Quellen wie Krankenakten, Genomdaten und In-vivo- Bildgebung zusammengeführt werden. Die hochauflösenden Kameras des Scanners sind mit Flüssigkeitslinsen aus- gestattet, die das Design des menschlichen Auges nachahmen. Basierend auf zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten mit unter- schiedlichem Brechungsindex erreichen sie eine noch nie dagewesene Bildqualität. Für eine hoch personalisierte Diagnose werden die Untersuchungsaufnahmen durch Maschinelles Lernen zusammen mit sämtlichen verfügbaren Patientendaten (Angaben zu UV-Schäden, Risikogruppe etc.) in die KI-Diagnoseplattform mit dem kognitiven KI-Assistententool integriert. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Scanners lassen sich in kurzer Zeit nicht nur viele Patientinnen und Patienten unter- suchen, vielmehr kann man die Scans auch oft und über einen längeren Zeitraum wie- derholen und miteinander vergleichen – und so Hautveränderungen gut beobachten. 9 o t o h p k c o t s i e l l i a / s o d u t S d e l i F t h g i L , r u o F y t n e v e S , p a C r o t k V i : s o t o F

1 | 25 Superkräfte entfachen: Michael Fritz setzt im Fraunhofer CCIT auf dynamische Datenverschiebung. 11

1 | 25 Mehr Tempo: Holger Hillig beschleunigt am Fraunhofer IWS das Laserauftragschweißen. 13

1 | 25 Innovationssprünge machen: Violetta Schumm findet am Fraunhofer IGCV neue Optionen für die Nassvliestechnologie. 15

1 | 25 E s ist groß, das Ansehen von Gütern aus deutschen Fabrik- hallen. 2017 errang das »Made in Germany«-Siegel bei einer Studie des Statistikportals und Marktfor- schungsunternehmens Dalia Research den ersten Platz. Einer aktuellen Untersuchung der Unternehmerplattform Meisterkreis, der Transformationsforschungsagentur Sturm und Drang und der Agenturgruppe Serviceplan Group zufolge favorisieren 25 Prozent der Konsumentinnen und Kon- sumenten in Europa, China und den USA deutsche Marken. Noch, möchte man hin- zufügen, denn es zeigt sich ein Trend zu heimischen Produkten – vorangetrieben unter anderem vom US-Präsidenten Do- nald Trump und seinem »America first«. Und, wie die aktuelle Studie ebenfalls ent- hüllt: Hierzulande befindet sich das Image deutscher Produkte im Sinkflug. So gaben 42 Prozent der deutschen Studienteilneh- menden an, dass sich deren Ansehen ver- schlechtert habe. Wie also steht es um die deutsche In- genieurskunst? Mit welchen Technologien und Verfahrensweisen lässt sich interna- tional ein Wettbewerbsvorteil einfahren? Und wie kann die Forschung der Industrie zur Seite stehen? 3D-Druck: Schnell, schneller, am schnellsten Ein großer Trend ist hier die additive Fer- tigung: Sie zählt zu den starken Wachs- tumsfeldern innerhalb der Produktion. Expertinnen und Experten prognosti- zieren für die nächsten fünf Jahre ein durchschnittliches jährliches Plus von etwa 20 Prozent über alle Industriezweige hinweg. Bislang hapert es jedoch an der Wirtschaftlichkeit: »Lange Fertigungszei- ten und teure Ausgangsmaterialien ste- hen der Produktion über den 3D-Druck insbesondere bei größeren Bauteilen entgegen«, weiß Dr. Martin Kausch, Ab- teilungsleiter am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtech- nik IWU in Chemnitz. Dies zu ändern, haben sich die Forschenden am Fraun- hofer IWU zum Ziel gesetzt: mit dem von ihnen entwickelten »Screw Extrusion Ad- ditive Manufacturing«, kurz SEAM. Statt Kunststofffilamente für 30 bis 100 Euro pro Kilogramm zu verwenden, dienen Kunststoffgranulate als Basis – für sechs Euro pro Kilogramm im Fall von koh- lenstofffaserverstärktem Polypropylen, bei Spezialkunststoffen kann es teurer werden. Auch die Verarbeitung hat das Team optimiert. Üblicherweise wird der Kunststoffdraht (Filament) ähnlich wie bei einer Heißklebepistole einem war- men Zylinder zugeführt, geschmolzen und durch eine Düse gedrückt – etwa 200 Gramm Kunststoff pro Stunde lassen sich auf diese Weise zum Bauteil verarbeiten. »Wir setzen stattdessen auf eine kleine Extruderschnecke, die das Granulat be- fördert und über mehrere Heizzonen plas- tifiziert. Der maximale Durchsatz beträgt 15 Kilogramm pro Stunde, also 75-mal mehr als üblich«, konkretisiert Kausch. Um den entsprechenden Druckkopf zu vermarkten, gründete das Fraunhofer IWU 2020 die Firma 1A-Technologies aus – mit Erfolg. Doch 1A-Technologies und die Fraun- hofer-Forschenden haben noch mehr im Köcher: »Während sich der Materialfluss bei anderen Ansätzen nicht anhalten lässt und daher nur Endlosstrukturen wie das ›Haus vom Nikolaus‹ druckbar sind, haben wir eine regelbare Bypass-Düse patentie- ren lassen. Mit dieser können wir den Schmelzstrom zwischen null und hundert Prozent regeln«, beschreibt Kausch. Das Verfahren wird bereits eingesetzt: Die MO- SOLF Special Vehicles GmbH produziert damit Beladungssysteme für Polizeifahr- zeuge, die gegenüber herkömmlichen Modellen etwa 50 Prozent des Gewichts einsparen und sich in rund 12 Stunden drucken lassen. Über herkömmlichen 3D- Druck würde die Herstellung mehrere Wo- chen in Anspruch nehmen. Kausch ist sich sicher: »Durch effizientere Prozesse und günstigere Ausgangsstoffe senken wir den Break-Even-Punkt, ab dem 3D-Druck wirt- schaftlich wird, immer weiter. Während der Spritzguss nahezu ausgereift ist, sind bei der additiven Fertigung weitere Ent- wicklungssprünge nach oben zu erwarten.« Elektronische Produkte – ausgedruckt Statt Produkte in Billiglohnländern her- stellen zu lassen und dann quer über den Globus zu karren, könnte es sich dank 3D-Druck künftig lohnen, die komplette Fertigungskette wieder nach Deutschland zu holen. Und damit nicht nur klimascho- nender und schneller zu fertigen, sondern auch fragile globale Lieferketten zu ver- meiden. »Wir wollen komplexe Produkte auf Knopfdruck druckbar machen – und zwar lokal dort, wo sie benötigt werden«, sagt Kauschs Kollege Lukas Boxberger, ebenfalls Abteilungsleiter am Fraunhofer IWU. Es genügt, die Daten in die Maschi- ne einzuspeisen, und schon produziert sie eine Kaffeemaschine, eine Bluetooth-Box oder einen Staubsaugerroboter in direkter Nähe zum Kunden. »Eine solche Maschine muss im We- sentlichen vier Teilprozesse beherrschen: nicht-druckbare Dinge wie Textilien, Fo- lien oder Furnierholz festhalten, Struktu- ren aufbauen, Kabel für elektronische Pro- dukte integrieren und weitere Elemente wie Motoren oder Displays einlegen«, er- läutert Boxberger. Dies haben die Forschen- den über verschiedene Werkzeugköpfe ge- löst, die je nach Bedarf ausgewechselt werden und mit denen die Maschine die anstehenden Aufgaben bewältigen kann. Als Prototyp existiert die Maschine bereits unter dem Namen »Multi-Material-Addi- tive Manufacturing«, kurz MMAM. Nicht nur die Maschine selbst bedeu- tet einen großen Schritt für die Produk- tion. Insbesondere die Integration von Drähten eröffnet weitere Optionen. Denn die Gestaltungsfreiheit, für die die klas- sische additive Fertigung gerühmt wird, besteht bislang ausschließlich für Kunst- stoff-Bauteile. »Unser System erweitert den 3D-Druck um maximale Funktions- flexibilität: Wir können elektrische Eigen- schaften und Datenleitungen ebenso ein- bringen wie Antennen- oder thermische Funktionen«, beschreibt Boxberger. Der entwickelte Druckkopf führt Draht und Kunststoff zusammen. Dabei kann er je- den Metalldraht – ob aus Kupfer, 17

»Um zwei verschiedene Materialien prä- zise und getrennt voneinander additiv aufbringen zu können, haben wir einen pulverbettbasierten Prozess mit zwei Ma- terialkammern entwickelt«, sagt Dr.-Ing. Georg Schlick, der die Abteilung »Additi- ve Fertigung« am Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungs- technik IGCV leitet. »Wir bringen das erste Materialpulver auf, schmelzen es mit dem Laser, saugen das nicht verwendete Pulver ab und starten dann den gleichen Prozess mit dem zweiten Material.« Das Spin-off Fidentis wird dieses Ver- fahren künftig nutzen, um Teleskopkronen für den Zahnersatz zu produzieren. Bislang ist die Fertigung solcher Kronen von Hand- arbeit geprägt, dadurch teuer und somit eher Privatversicherten vorbehalten. Die neuartige Fertigung könnte dies ändern: Bereits zu Ostern sollen die ersten Patien- tinnen und Patienten versorgt werden. Auch für andere Anwendungen sieht Schlick viel Potenzial – insbesondere dort, wo thermische und mechanische Lasten zusammentreffen. »Über das Verfahren können wir die Funktion eines Bauteils, etwa eines Werkzeugs, verbessern und so- mit die Kosten des Endprodukts senken«, sagt Schlick. »Es steht zu hoffen, dass wir die Fertigung auf diese Weise von Fernost zurück nach Europa holen.« Laserdrahtauftragschweißen mal acht Statt Pulver mittels Laser zu verflüssigen, lässt sich das aufzuschmelzende Mate- rial auch in Drahtform verwenden. Dabei werden im Gegensatz zum Pulverstrom hundert Prozent des zugeführten Drahts ins Schmelzbad überführt. Bislang war das Verfahren zu langsam für industriel- le Hochleistungs-Beschichtungen. Künf- tig könnte es sich zu einem ernsthaften Konkurrenten für das Laserpulverauf- tragschweißen entwickeln. Grund für diesen Entwicklungsschub ist ein Verfah- ren namens COAXquattro, das Wissen- schaftlerinnen und Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS entwickelt haben. Es vereint gleich mehrere Besonderheiten: Wird der Metalldraht üblicherweise in der Mitte des Anlagenkopfes geführt und von seitlich angeordneten Laserstrahlen aufgeschmolzen, drehte das Team den Auf- bau kurzerhand um. Nun befindet sich der Laser in der Mitte, während mehrere Drähte von außen zugeführt werden. »Auf diese Weise können wir Standardoptiken verwenden, die aktuell bis 20 Kilowatt La- serleistung nutzbar sind. Das System ist im Vergleich mit vorherigen Laserschweißköp- fen hinsichtlich Abschmelzrate drei bis vier Mal produktiver«, sagt Dr.-Ing. Elena Lopez, Abteilungsleiterin am Fraunhofer IWS. »Indem wir in einem Arbeits- schritt unterschied- liche Metalle verwenden, können wir Beschichtungen aus In-situ-Legie- rungen erzeugen.« Holger Hillig, Fraunhofer IWS 1 | 25 Zudem führt das Team mit dem spe- ziell entwickelten Schweißkopf bis zu vier Drähte sowie vier Pulverstrahlen in den Prozess. »Indem wir in einem Arbeitsschritt unterschiedliche Metalle verwenden, können wir Beschichtungen aus In-situ- Legierungen erzeugen. Die Ausgangsma- terialien werden erst beim Beschichtungs- prozess miteinander vermischt«, erläutert Holger Hillig, Projektleiter und Kollege von Lopez. So lassen sich ohne zusätzliche Ver- fahren lokalisiert gewünschte Eigenschaf- ten in die Beschichtung einbringen – etwa lokal höhere Härte, thermische Leitfähig- keit oder ein besonderer Ausdehnungsko- effizient. COAXquattro rückt die Beschich- tung über das Laserdrahtauftragschweißen in einen wirtschaftlichen Bereich, und das für sehr große Bauteile wie Planetenge- triebe – mit laserbeschichteten Gleitlager- bolzen – für Windkraftanlagen oder zur Verschleißschutzpanzerung von Extrudern für die Reifenherstellung. Bei der additiven Fertigung erschließt das Verfahren neue Einsatzgebiete: »Für die Seitenfläche eines Zuges der Deutschen Bahn waren bislang sieben verschiedene Produktionsschritte nötig. Wir können dies auf drei Schritte reduzieren«, hebt Lopez hervor. Indem durch die additive Fertigung andere Geometrien ins Reich des Mögli- chen rücken, setzen die Forschenden zur Stabilisierung des Seitenteils auf eine bio- nisch inspirierte Struktur, die den Adern eines Blattes ähnelt. Auf diese Weise wird das Bauteil um 30 Prozent leichter. Lang- fristig kann COAXquattro auch Stoffe ersetzen, die von Ressourcenknappheit betroffen sind – indem man über die Legie- rung dieselben Eigenschaften erzielt. Wie genau sich dies realisieren lässt, untersu- chen die Forschenden im Fraunhofer-Leit- projekt ORCHESTER. Kritische Stoffe ersetzen Ein anderes Laserverfahren aus dem Fraunhofer ILT, das sich zum Industrie- standard gemausert hat, ist das Extreme- Hochgeschwindigkeits-Laserauftrag- schweißen EHLA. Dabei wird das Pulver direkt im Laserstrahl vor dem Auf- 19

im Projekt Desire4Electronics an Lösungen zum automatisierten Zerlegen. Vom Sensor in die Cloud Das Optimum aus den einzelnen Fer- tigungstechnologien herauszukitzeln ist elementar, wenn das Label »Made in Germany« hochgehalten werden soll – schließlich bilden diese das Rückgrat der Fertigung. Ausreichend ist es nicht. »Die Aufgabe besteht darin, vorhandene Ansät- ze sinnvoll zusammenzubringen und aus den Einzellösungen ein großes Ganzes zu machen«, bekräftigt Michael Fritz, Leiter der Geschäftsstelle des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Techno- logies CCIT. Wie das gelingen kann, unter- suchen Forschende des Clusters im Projekt »Edge Cloud Continuum 4 Production«, kurz ECC4P. Der Ansatz: Durch Vereinigung von Edge und Cloud soll ein durchgehender Datenraum entstehen. Die Rechenleistung wird dann dort erbracht, wo sie am effizi- entesten und wirtschaftlichsten ist. Edge bezeichnet dabei den Bereich, in dem die Daten entstehen – lokale Sensoren, Ma- schinen oder Geräte. Insbesondere bei Pro- zessen, die in Sekundenbruchteilen ab- geschlossen sein müssen, besteht die Notwendigkeit, die Rechenleistung und den Speicherplatz dieser Edge zu nutzen. Andere Aufgaben, die langwierig und re- chenintensiv sind – etwa das Trainieren einer Künstlichen Intelligenz oder die Durchführung von Simulationen –, erfol- gen in der Cloud. Elementar für die dyna- mische Datenverschiebung zwischen Edge und Cloud ist die Verbindung zwi- schen ihnen durch sogenannte Datenraum- Konnektoren. Ihre Bedeutung zeigte sich im Projekt »Catena-X«, einer Initiative der deutschen Automobilindustrie, bei der eine gemeinsame Dateninfrastruktur für die gesamte Wertschöpfungskette geschaf- fen werden sollte. »In Catena-X wurden zahlreiche Technologien entwickelt. Die Kernaussage der Unternehmen jedoch war: Wir brauchen einen Konnektor, der indus- triefähig ist«, erinnert sich Fritz. Auf Basis des Dataspace Connector IDSC, den Fraun- »Die Aufgabe besteht darin, vorhandene Ansätze sinnvoll zusammenzu- bringen und aus den Einzellösungen ein großes Ganzes zu machen.« Michael Fritz, Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT hofer vor Jahren entwickelt hat, entstand zwischen Fachkräften von Fraunhofer und aus der Industrie der Eclipse Dataspace Connector EDC. »Mittlerweile ist der EDC auf dem Weg, Industriestandard zu wer- den«, fasst Fritz zusammen. Der Datenraum ist mit dem Connector geschaffen. Um ihn zu füllen, haben die Forschenden verschiedene Sensoriken ent- wickelt oder Sensoren so miteinander kom- biniert, dass sie einen echten Mehrwert erzeugen. Drei generische Anwendungen nahmen sich die Forschenden dabei vor: Zum einen das adaptive Wälzschleifen, das bei der Zahnradherstellung benötigt wird. 1 | 25 Hier wurde eine Körperschallsensorik in das Schleifgerät integriert: Konnte man bisher erst nach dem Einbau des fertigen Zahnrads in ein Getriebe einschätzen, ob der Prozess gut oder schlecht gelaufen ist, lässt sich der Prozess nun direkt bei der Bearbeitung bewerten. Der zweite Sensor löst ein ähnliches Problem bei der Umfor- mung und dem Pressen: Über die Kontrol- le des Pressdrucks kann der Ausschuss deutlich reduziert und die Rüstzeit beim Wechsel des Werkzeuges verkürzt werden. Der dritte Sensor überwacht den Bohr- und Fräsprozess, er ist ideal, um alte Maschi- nen nachzurüsten und sie in die digitale Wertschöpfung einzubinden. Um den Mehrwert der Sensordaten zu vergrößern, werden sie gemeinsam mit den Maschi- nendaten in einer Edge Cloud lokal ana- lysiert und via EDC in die Cloud geschickt, wo sie zum Training einer Künstlichen Intelligenz genutzt werden. Die gesamte Verarbeitungskette ist nach dem Prinzip einer MLOps-Pipeline aufgebaut, um leis- tungsfähige und skalierbare KI/ML-Lö- sungen zu entwickeln und zu betreiben. Für die Sicherheit sorgt das Tool »Cloudi- tor«, das im Fraunhofer-Institut für An- gewandte und Integrierte Sicherheit AISEC entwickelt wurde. Fritz: »Den gesamten Ansatz haben wir als Proof-of-Concept für den Schleifprozess bereits umgesetzt. Er ist in allen Produktionen gewinnbringend, in denen gefräst, umgeformt, gebohrt und geschliffen wird – branchenunabhängig und gerade auch als Nachrüstung beste- hender Maschinen bestens geeignet.« Matrixproduktion statt Linienfertigung So hocheffizient die klassische Linien- fertigung auch ist: In puncto Flexibilität hat sie wenig zu bieten. »Gibt es mehrere Produktionslinien, müssen auch selten ge- nutzte Maschinen in allen Produktions- linien und damit mehrfach vorgehalten werden«, sagt Dr.-Ing. Simon Harst, Ge- schäftsfeldleiter am Fraunhofer IWU. Er und seine Kolleginnen und Kollegen vom Fraunhofer IWU und Fraunhofer IPA wollen dieses starre System durch eine 21

1 | 25 »Der Energieverlust könnte mit einer durchgehenden automatisierten Detektion von Leckagen um durchschnittlich etwa zehn Prozentpunkte gesenkt werden.« Daniel Umgelter, Fraunhofer IPA Verluste verhindern: Daniel Umgelter vom Fraunhofer IPA unter- stützt die Industrie mit der intelligenten Detektion von Leckagen. 23

Herr Günther, jetzt einmal Hand aufs Herz: Wie fühlt es sich an, einen Förderbescheid über 23,8 Millionen Euro zu überreichen? Das ist schon etwas Besonderes, das macht man nicht jeden Tag. Und es gehört zu den Aufgaben eines Ministerpräsidenten, die sehr viel Freude machen. Gerade in der derzeit angespannten Haus- haltslage, da sind solche hohen Fördersummen die Ausnahme. Umso mehr freut es mich, dass wir da- mit erneut eine erstklassige anwendungsorientierte Forschung unterstützen. In Lübeck werden zurzeit medizinische Zukunftsvisionen wahr, von der un- sere Wirtschaft in Schleswig-Holstein, Deutschland und Europa profitieren wird. Da es sich in diesem Fall um ein Verbundprojekt mit der Wirtschaft han- delt, ist der Transfer in Produkte und Dienstleistun- gen ja sogar schon angebahnt. Und die Fraunhofer IMTE wird damit in die Lage versetzt, von der Ein- richtung zum Institut aufzusteigen. Sie haben die Fraunhofer-Einrichtung für Individualisierte und Zellbasierte Medizintechnik IMTE in Lübeck besucht. Welchen Eindruck haben Sie mitgenommen? Was die Fraunhofer IMTE in Lübeck im Bereich der KI-gestützten Medizintechnik leistet, ist beeindru- ckend und ein gutes Beispiel dafür, warum Fraun- hofer in Schleswig-Holstein und in Deutschland zu einer solchen Erfolgsgeschichte geworden ist: Die Fraunhofer IMTE zieht Top-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler an sowie viele Menschen, die Lust dazu haben, den Forschungs- und Wissen- schaftsbereich voranzubringen. Die Einrichtung vernetzt sich mit den Hochschulen in der Region ebenso intensiv wie mit KMU und Großunterneh- men. Im Ergebnis werden in Lübeck hoch innovati- ve technologische Plattformen entwickelt, die in der medizinischen Anwendung unsere Gesundheits- versorgung konkret und sehr effektiv verbessern können. Das konnte ich beispielsweise anhand der neuen Verfahren in der Bildgebung und OP-Robotik selbst erleben. Zu sehen, dass an Lösungen gearbei- tet wird, die Diagnostik und auch Eingriffe in Zu- kunft noch präziser, sicherer und weniger invasiv machen, hat mich sehr optimistisch gestimmt. Warum ist Forschung für Deutschland so wichtig? Forschung schafft die Grundlagen für Innovation. Sie ist einer der wichtigsten Rohstoffe in Deutsch- land, um technologisch und auch wirtschaftlich an der Spitze zu bleiben. Ich sage übrigens ganz bewusst »bleiben«, weil mir der Standort oft zu schlecht geredet wird. Unsere Forschung an Hoch- schulen, aber auch in den großen Forschungsge- 1 | 25 »Nicht alle haben den Transfer schon in der DNA – wie Fraunhofer.« Daniel Günther meinschaften ist auf einem Top-Niveau. Wir müs- sen nur den Transfer manchmal etwas besser und dynamischer gestalten. Das macht Fraunhofer ja auf beispielhafte Art und Weise. Hier findet Grund- lagenforschung auf weltweit höchstem Niveau statt und gleichzeitig wird eine mögliche Anwendung und damit der Transfer schon mitgedacht. Das soll- te auch in der deutschen Forschungspolitik rich- tungsweisend sein. Wo sehen Sie Defizite in der Förderpolitik? Zum einen glaube ich, dass wir Innovationen mehr Chancen verschaffen sollten, sich auch durchsetzen zu können – und damit meine ich natürlich vor al- lem den staatlich geförderten Wissenschaftsbereich. Dort bräuchte es aus meiner Sicht mehr Entre- preneurship und Ideenmanagement. Ideen auch für große, strukturverändernde Innovationen werden ja nicht immer von den größten Forschungseinhei- ten, sondern auch von einzelnen Wissenschaftle- rinnen und Wissenschaftlern oder kleinen Gruppen hervorgebracht. Ich bin nicht sicher, ob jede gute Idee automatisch auch das Licht der Welt erblickt. Dabei könnte zum Beispiel ein System aus einfa- chen Mikroförderungen helfen. Zum anderen soll- ten wir auch bei großen Forschungsvorhaben Mittel für den Transfer einbauen und Förderempfänger dazu noch stärker verpflichten. Nicht alle haben den Transfer schon in der DNA, wie Fraunhofer. Wir erleben eine verunsicherte Gesell- schaft unter dem Eindruck, dass die Probleme immer zahlreicher werden. Kann die angewandte Forschung da auch einen Beitrag zu Stabilisierung, zu Zuversicht und zu einem Aufbruch liefern? Ja, davon bin ich überzeugt. Aber die Forschung muss sich noch mehr als bisher öffentlich vernet- zen und zeigen, welchen Beitrag sie leisten kann, zum Beispiel für mehr gesellschaftliche Resilienz, 25 a p d / s u i s i r a h C n a i t s i r h C : o t o F

»Wir können es uns nicht mehr leisten, bei den Verteidigungs- ausgaben zu sparen. Das gilt auch für den Forschungsbereich.« Daniel Günther F D Z / n n a m h e L a i l e n r o C , a p d e l l a / h c i r t t i D n a i t s i r h C - e k u a H , ) 2 ( t d n a r B s u c r a M , i a d e M B M H / r e k c e B n e i l u J , s r e t u e R / r e m m B n a b a F i i , s s e r p o t o F - r e l s i e G / n r e K c i r e d e r F , r e d h e R n e t s r a C , s u i s i r a h C n a i t s i r h C : s o t o F Zusammenarbeit, dass wir da auch gönnen können. Zumal wir im echten Norden dieses Ranking ja seit dessen Einführung durchgehend angeführt hatten. Aber genau deswegen ist na- türlich klar, dass wir den Spitzenplatz in diesem Jahr zurückerobern wollen. Norden schätze ich es sehr, dass die Leute so bo- denständig und zugewandt sind und sich durch eine große Gelassenheit auszeichnen. Das prägt unser Land und uns Nordlichter. Wir lassen uns nicht so schnell aus der Ruhe bringen – und bei uns schwingt immer eine Prise Optimismus mit. Und dann hat Sie auch noch ausge- Regierungsbildungen sind schwierig rechnet Markus Söders Bayern auf Platz 2 über- holt. Wie gehen Sie damit um? Na ja, Moment – Bayern und Schleswig-Holstein sind gleichauf auf Platz 2! Und es ist doch eine tolle Nachricht, dass unsere beiden schönen Länder etwas gemeinsam haben. Wo sie doch gegensätzlicher nicht sein könnten mit Bergen und Meer, Weißwurst und Fischbrötchen, Mar- kus Söder und mir … Voller Selbstbewusstsein erfahre ich von Ihnen: »Ich bin Norddeutscher, schon mein ganzes Leben lang.« Erklären Sie mir doch bitte einmal: Was unterscheidet den Norden und den Süden in den Köpfen und den Herzen und dem Zugang zur Politik? Das stimmt, ich bin nie aus Schleswig-Holstein weggezogen und ich liebe Norddeutschland. Aber ich mache sehr gerne Urlaub in den Bergen, das ist für mich ein schöner Kontrast zu meiner Heimat. Es zieht mich zwar meist nach Öster- reich, aber ich mag auch Süddeutschland sehr gerne. Wie die Menschen dort ticken, können Ih- nen meine Kollegen Winfried Kretschmann und Markus Söder aber besser erklären. Bei uns im geworden in der Demokratie. Sind Sie heimlich ein Freund der Monarchie? Zumindest schwär- men Sie vom Amt des Oldenburger Grünkohl- königs, zu dem Sie am 10. März ernannt wurden. Ich freue mich in der Tat, dass ich zur neuen Oldenburger Grünkohlmajestät ernannt wurde und habe mir vorgenommen, in dem Amt mög- lichst viel für die niedersächsische und schles- wig-holsteinische Kohl-Koalition zu erreichen. Aber im Ernst: Wir grenzen ja an Skandinavien mit dessen Königshäusern an und haben dafür in Schleswig-Holstein ein gewisses Verständnis, teilweise sogar eine Affinität dazu. Das haben wir im vergangenen Herbst erlebt, als das däni- sche Königspaar bei uns zu Besuch war und viel Begeisterung bei den Menschen ausgelöst hat. Eine Monarchie kann durchaus etwas zur Identifikation und zum Zusammenhalt einer Gesellschaft beitragen. Trotzdem halte ich die parlamentarische Demokratie ohne Zweifel für die beste aller Staatsformen und ein großes Ge- schenk, das uns die Alliierten nach dem Zwei- ten Weltkrieg gemacht haben. Das gilt es für uns zu bewahren, in den heutigen Zeiten mehr als je zuvor. 1 | 25 Wehrhaft Verteidigungsbereit- schaft fordert der Ministerpräsident – auch bei einem Besuch der Rüstungs- industrie in Schleswig- Holstein. Das war knapp Durchschnaufen am Sonntag der Bundes- tagswahl: Es reicht für eine Regierungskoali- tion mit der SPD. Beleidigungsfasten! Mit Markus Söder verbindet Günther eine heftige Partei- freundschaft. Für die Fastenzeit 2025 hat er dem CSU-Kollegen eine sehr spezielle Enthalt- samkeit empfohlen. Heute ein König Als frisch gewählter Grünkohlkönig raubt Günther der SPD und Boris Pistorius den Thron. Die Vorgänger weisen den Weg nach ganz oben: Helmut Schmidt, Helmut Kohl und Angela Merkel. 27

1 | 25 Heute nutzen die Services fast 300 000 Menschen über zwölf Bundes- länder hinweg. ermöglicht der DorfFunk einen direkten Draht: Mängel wie kaputte Spielgeräte lassen sich unkompliziert melden; die Gemeinde kann wiederum relevante Mel- dungen mittels Push-Benachrichtigungen schnell an die Dorfgemeinschaft übermit- teln. Zudem lassen sich Inhalte mittler- weile automatisiert teilen, was die Arbeit der Kommunen erleichtert. Eine zentrale technische Herausforderung bestand hier- bei darin, digitale Angebote, die in länd- lichen Regionen bereits existierten, in die Digitale-Dörfer-Plattform einzubinden. »Das Besondere an unserer Plattform ist, dass sie den Fokus auf regionale Kom- munikation legt«, erklärt Dominik Magin, Geschäftsfeldmanager für den Bereich Smart City am Fraunhofer IESE. »Die Bür- gerinnen und Bürger können selbst ent- scheiden, in welchem Radius sie sich ver- netzen möchten – und bekommen alle relevanten Informationen für dieses Gebiet gebündelt zugespielt.« Das Projekt begann vor zehn Jahren mit drei Testgemeinden in Rheinland-Pfalz; heute nutzen die Services fast 300 000 Men- schen über zwölf Bundesländer hinweg. Für Matthias Berg trägt vor allem der Fo- kus auf die regionale Kommunikation da- zu bei, dass auch ältere Menschen von den digitalen Angeboten überzeugt sind. Es schaffe Vertrauen, wenn man den Großteil der anderen User und Userinnen bereits kenne. Zudem ist die Anwendung nicht nur kosten- und werbefrei, sondern unter- liegt auch strengen Datenschutzrichtlinien und wird ausschließlich in Deutschland betrieben. Matthias Berg, Dominik Magin und Steffen Heß freuen sich über den Erfolg ihrer Plattform: »Ich fand es toll, während des Projekts in den Testgemeinden vor Ort zu sein und mitzubekommen, wie gut die Digitalen Dörfer bei den Menschen ankom- men«, so Steffen Heß, Hauptabteilungs- leiter des Bereichs Digital Innovation & Smart City am Fraunhofer IESE. »Gerade ältere Menschen waren häufig so dankbar dafür, dass die Plattform ihren Alltag er- leichtert – das waren meine schönsten Mo- mente im Projekt.« a p d / k e h t o t o h p / r e n t r e a G n a i r o l F : o t o F 29

1 | 25 Auch für die Abwehr von Drohnen oder Sprengfallen ist die preisgekrönte Funktechnik einsetzbar. Stimme des Gegenübers wird damit deutlich hör- bar.« So macht »In-Band Full-Duplex« erstmals mög- lich, was bisher unmöglich schien: auf einer Fre- quenz gleichzeitig zu senden und zu empfangen. Schutz gegen Drohnen und Sprengfallen Als Anwendungsbereiche haben die Forschenden vor allem den Kernauftrag der Bundeswehr zur Landes- und Bündnisverteidigung im Blick – so etwa das Erkennen von Drohnen und das Stören ihrer Steuersignale. Geräte mit dieser Technik können die Funksignale, die die jeweilige Drohne steuern, gleichzeitig empfangen und stören be- ziehungsweise neutralisieren: Drohnenabwehr in Echtzeit, ohne ständige Unterbrechungen durch den bislang erforderlichen Wechsel von Sende- und Empfangsmodus. Auch im Bereich Fahrzeugschutz lässt sich die Funktechnik einsetzen. Oftmals werden in Kriegs- gebieten Fahrzeuge durch per Funk ausgelöste Sprengfallen angegriffen. Mit »In-Band Full-Du- plex« lassen sich die lebensbedrohlichen Funk- impulse kontinuierlich erkennen und ohne Zeit- verlust Gegenmaßnahmen ergreifen. Ein grundlegender Vorteil der Technik zeigt sich überall da, wo viel gefunkt wird. Denn Duplex- Funk verdoppelt durch das gleichzeitige Senden und Empfangen auf einem Kanal den Datendurch- satz. Prof. Adrat: »Egal, ob Satellitenkommunika- tion, die Kommunikation von Flugzeugen oder die Einbindung von selbstfahrenden Autos ins Ver- kehrsgeschehen – Frequenzen sind ein knappes Gut. Mit In-Band Full-Duplex lassen sich die knap- pen Frequenzen besser ausnutzen.« Tschauner lobt die Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen aus den unterschiedlichen Län- dern: »Das hat Spaß gemacht. Besonders die Zu- sammenarbeit mit den Kolleginnen und Kollegen aus Belgien war sehr fruchtbar. Ihre Aufgabe war es, die Signalverarbeitung in der Software weiter- zuentwickeln – und unsere, die passenden Plati- nen und Antennen zu bauen.« Für ihre Arbeit haben die Fraunhofer-For- schenden jetzt eine hohe Auszeichnung erhalten: Prof. Adrat, sein Abteilungsleiter Dr. Markus Ant- weiler und Tschauner wurden mit dem »NATO Information Systems Technology (IST) Panel Team Excellence Award« geehrt. Expertinnen und Experten sind sicher, dass sich die Technik in einigen Jahren im NATO-Ein- satz, im Zivilschutz und anderen Szenarien durch- setzen wird. Spätestens dann gilt für die klassische Funktechnik: »Over and out«. a p d / t d r a h n e R i l i e n a D : o t o F Problemlos kommunizieren im Feld: »In-Band Full- Duplex« eröffnet neue Möglichkeiten in der Funktechnik. 31

1 | 25 Genau hier liegen die Stärken der Fraun- hofer-Gesellschaft. Das Kompetenz-Port- folio reicht von Smart Farming und Live Sciences über Biomaterialien und -ver- fahrenstechniken bis hin zu neuen Re- cycling-Technologien. »Mehr als die Hälfte unserer 75 Institute beschäftigt sich schon seit Jahrzehnten mit Themen der Bioöko- nomie«, betont Alexander Böker: »Allein seit 2016 sind mehr als 200 Forschungs- und Industrie-Projekte realisiert worden. Hier haben wir Lösungsansätze für globale Herausforderungen erarbeitet und geben wichtige Impulse für eine Stärkung des deutschen Wirtschaftsstand ortes.« Das Er- »Mehr als die Hälfte unserer 75 Institute beschäftigt sich schon seit Jahrzehnten mit Themen der Bioökonomie.« Prof. Alexander Böker, Fraunhofer IAP Nur selten werden Umwelt- vergehen so deutlich: Der argentinische »Blutfluss« machte im Februar weltweit Schlagzeilen. folgsrezept heißt Synergie: zwischen Fraunhofer-Instituten und externen, na- tionalen und internationalen Partnern. Zum Beispiel im Projekt VITAL. Unter finnischer Leitung sind daran drei Fraun- hofer-Institute und elf weitere Organisa- tionen aus sieben EU-Ländern beteiligt. Ziel der gemeinsamen Anstrengungen sind neu- artige Prozesse zur Verarbeitung von ge- schäumten biobasierten Thermoplasten, also durch Wärme verformbare Kunststof- fe. Neben modifizierten Spritzguss- und Perlenschaum-Verfahren wird eine weltweit einzigartige Innovation erprobt: ein radio- frequenzbasierter 3D-Druckprozess. 33 a p d / P A / d b A o g i r d o R : o t o F

1 | 25 Was sichert die Ernährung der Zukunft? Eine Möglichkeit: Algen. Sie lassen sich ressourcen- schonend anbauen und haben einen hohen Nährwert. eignen sich daher als Rohstoffe für Nah- rungsergänzungsmittel und Lebensmittel. Ihr Anbau ist ausgesprochen nachhaltig, erklärt Elke Böhme, die am Fraunhofer-In- stitut für Individualisierte und Zellbasierte Medizintechnik IMTE in Lübeck das Pro- jekt FunSea leitet: »Die Algen wachsen im Meer, brauchen also weder Frischwasser noch Land, noch Düngemittel. Vielmehr entziehen sie dem Meer sogar einen Teil der überschüssigen Nährstoffe, die aus der Landwirtschaft eingeschwemmt werden und marine Ökosysteme belasten.« Zu- sammen mit einem norwegischen Algen- zuchtunternehmen, dem Berliner Start-up wunderfish und weiteren Partnern arbei- tet das Fraunhofer IMTE daran, die ernäh- rungsphysiologische Qualität, die Sicher- heit und die funktionellen Eigenschaften von kultivierten Braun- und Grünalgen als Lebensmittelzutaten zu verbessern. Welche Institutionen befassen sich ebenfalls mit der Nutzung von Meeres- algen, von Ölsaaten, von biobasierten Polymeren? In welchen Bundes- oder Nachbarländern werden ähnliche Pilot- anlagen zum Upscaling innovativer Ver- fahren betrieben? Gibt es dafür Förder- gelder vom Bund oder von der EU? Solche übergeordneten Fragen werden im Projekt ShapingBio gestellt, erläutert Projektleiter Dr. Sven Wydra vom Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI: »Wir wollen das Innovationspotenzial der Bioökonomie stärken, indem wir bestehen- de Mängel identifizieren, Lösungsvorschlä- ge erarbeiten und daraus Empfehlungen für die Politik ableiten. Denn Bioökonomie wird sehr stark von den politischen Rah- menbedingungen beeinflusst, die teils auf europäischer, teils auf nationaler und regionaler Ebene greifen. Oft sind unter- schiedliche Behörden wie Landwirt- schafts-, Forschungs-, Wirtschafts- und Umweltministerium beteiligt. Also suchen wir nach Möglichkeiten, wie sich die Ko- ordination zwischen und innerhalb der Ebenen verbessern lässt.« Ebenso wichtig sei der Austausch zwi- schen den involvierten Akteuren, so der Wirtschaftswissenschaftler: »Wir haben zusammen mit unseren zehn europäi- schen Projektpartnern 48 Workshops organisiert, teils online, teils in Präsenz. Da bringen wir die unterschiedlichsten Player zusammen, zum Beispiel politische Entscheidungsträger aus verschiedenen EU-Mitgliedsstaaten mit Forschenden, mit Industrievertretern, mit Investoren, aber auch mit NGOs.« Derzeit wird in Brüssel an der dritten EU-Bioökonomie-Strategie gearbeitet, mit dem Ziel, die Implemen- tierung im Markt voranzutreiben. Auch dabei ist die Expertise des ShapingBio- Teams gefragt. Das Projekt wird von der EU mit vier Millionen Euro gefördert. Sven Wydra: »Das zeigt, wie groß das In- teresse an unserer Arbeit ist.« 35 n u a r B & r e l a h t r e V i : o t o F

1 | 25 Quantentechnologien Kleine Quanten – große Wirkung Die kleinsten Teile der Materie geben Aufschluss über große Zusammenhänge. Sonnenlicht, Magnetismus oder molekulare Wechselwirkungen ließen sich ohne sie nicht schlüssig erklären. Als Basis für moderne Technologien wird Quantenphysik in ganz unterschiedlichen Bereichen noch Großes bewirken. Wo stehen wir heute bei Quantencomputing, -kommunikation, -imaging und -sensorik? Von Mandy Bartel; Fotograf: Sebastian Arlt 37

1 | 25 Wie lässt sich das Stromnetz stabil halten? Dr. Jeanette Lorenz forscht am Fraunhofer IKS an konkreten Anwen- dungsfällen für Quantencomputer. 39

»Um eine bestimmte Fragestellung lösen zu können, müssen wir zunächst verstehen, welcher Algorithmus zu welcher Hardware passt.« Dr. Jeanette Lorenz, Fraunhofer IKS Fehlertolerante und anwendungsfreundliche Software Quantensoftware ist das Forschungsgebiet von Jeanette Lorenz und ihrem Team. Bis die Qubits selbst weniger feh- leranfällig sind, wollen sie die Algorithmen so anpassen, dass sie mit den Hardware-Fehlern zurechtkommen. Mit fünf Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft verfolgen sie im Projekt QUAST das Ziel, Unternehmen Quanten- computing unkompliziert zugänglich zu machen. Dabei fokussieren sich die Forschenden auf industrielle Optimie- rungsprobleme, für die es heute noch keine perfekte Lösung gibt. »Um eine bestimmte Frage- stellung lösen zu können, müs- sen wir zunächst verstehen, wel- cher Algorithmus zu welcher Hardware passt, also wie man ein konkretes, industrielles Op- timierungsproblem überhaupt in einen Quantencomputer ein- lesen kann«, beschreibt Lorenz die Herausforderung. Entschei- dend ist dabei der Software- Stack, also die geschichtete Struktur aller Komponenten, die für Entwicklung, Betrieb und Einsatz von Quantencomputern nötig sind. Auf der obersten Ebe- ne des Stacks wird der jeweilige Anwendungsfall abgebildet. Auf den unteren Ebenen er- folgt die Anbindung an die jeweilige Hardware. Bislang geht man davon aus, dass sich unterschiedliche Hardware mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen für unterschied- liche Anwendungsfälle eignen wird. Deshalb arbeiten die Forschenden auch mit verschiedenen Hardware-Anbie- tern zusammen. »Wir wissen, dass etwa Ionenfallen lang- samer sind als supraleitende Qubits, deshalb passen sie tendenziell eher für solche Fragestellungen, wo wir es uns erlauben können, dass die Maschine langsamer, aber da- für genauer rechnet.« Als Beispiel nennt Lorenz die Si- mulation von Molekülen. Eine Anwendung von vielen, die sich ihr Forschungs- team im Rahmen von QUAST angesehen hat, ist die Op- timierung von Stromnetzen. Hier gilt es, verteilte, unter- schiedliche und sehr volatile Energiequellen im Stromnetz auszutarieren. Die Frage, die klassische Com- puter mit zunehmender Komplexität weniger lösen kön- nen, lautet: Wann muss man Stromquellen dazuschalten oder auch abschalten, um das Netz stabil zu halten? Quan- tencomputer könnten bei solchen kombinatorischen Op- timierungsproblemen perspektivisch unterstützen – aber 1 | 25 nicht allein: »Zunehmend setzt sich die Erkenntnis durch, dass Quantenprozessoren vielmehr eine neue Processing Unit sein werden, statt ein eigenes unabhängiges Sys- tem«, so Lorenz. »Künftig wird man sie vermutlich im Orchester mit einem klassischen High-Performance-Sys- tem betreiben. Deshalb ist die Anbindung so wichtig, um je nach Fragestellung zwischen beiden wechseln zu können.« Ein Ergebnis aus QUAST ist ein ganz konkreter Ent- scheidungsbaum mit Lösungspfaden für solche Optimie- rungsprobleme. Der erlaubt es Unternehmen, sich selbst eine quantengestützte Lösung aus unterschiedlichen Kompo- nenten zusammenzubauen, die ihr Anwendungsproblem auto- matisiert löst. »Sie brauchen kei- ne eigenen Quantenexperten, sondern werden durch den gan- zen Prozess geleitet und wissen so, welcher Algorithmus zu wel- cher Fragestellung passt«, erklärt Jeanette Lorenz. Interessiert da- ran sind sowohl Unternehmen, die damit ihre eigenen Prozesse optimieren möchten, etwa in der Automobilindustrie, als auch Software-Anbieter, die die Er- kenntnisse in ihre Software- Tools einbauen wollen. Team-up mit Thales: Optimale Drohnenpfade durch die Raumzeit finden Wie Quantencomputer ihre neuen Geschäftsmodelle zum Fliegen bringen können, wollte auch die Thales Group wissen. Ihre Air-Traffic-Management-Systeme sorgen für eine sichere und effiziente Bewegung von Flugzeugen während aller Phasen des Betriebes. Doch neben Flugzeugen werden künftig auch immer mehr Drohnen den Himmel erobern. Von Flugtaxis über Moni- toring- bis Lieferdrohnen, die eilige Medikamente liefern, ist das Potenzial riesig. Um auch die neuen Flugobjekte im Blick zu behalten, will Thales sein Geschäftsmodell ausweiten. Aber den neuen Herausforderungen sind die bisher erprobten Systeme nicht gewachsen: Neben den optimalen Flugrouten müssen Flugverbotszonen und -zeiten mitberechnet sowie Kollisionen vermieden werden – und das für eine Vielzahl von Drohnen. Neue Methoden sind also gefragt. Daher wendete sich Thales an das Team von Dr. Nico Piatkowski am Fraunhofer- Institut für Intelligente Analyse- und Informations- systeme IAIS in Sankt Augustin bei Bonn. 41

»Es ist ganz essenziell, dass wir uns auch weiterhin über Standar- disierung von Schnitt- stellen im europäischen Kontext unterhalten.« Dr. Thorsten Goebel, Fraunhofer IOF »In verschiedenen Schlüsselexperimenten mit auf- einander aufbauender, steigender Komplexität demons- trieren wir die bisherigen Technologieentwicklungen«, erklärt Dr. Thorsten Goebel, der als Gruppenleiter die Qu- NET-Aktivitäten am Fraunhofer IOF zusammenführt. Vor vier Jahren begann das Forscherteam mit einer ein- fachen Punkt-zu-Punkt-Ver- bindung zwischen zwei Gebäu- den in Bonn. Im vergangenen Jahr demonstrierte ein zu- kunftsweisendes Experiment in der Region Berlin, dass es möglich ist, die Behördenkom- munikation in einem komple- xen, städtischen Netzwerk mit mehreren Nutzenden quanten- gesichert zu verschlüsseln. Da- für wurden sechs Netzwerk- knoten an Standorten des Fraunhofer HHI, der Deutschen Telekom sowie der Bundesdru- ckerei mit 125 Kilometern Glasfaserstrecke und zusätzlichen Freistrahlverbindun- gen verknüpft. Als praxisnaher Anwendungsfall diente die Übertragung beispielhafter Ausweisdaten zwischen verschiedenen Behörden und Bürgern. »Wir konnten zei- gen, wie unsere Systeme in heterogenen Netzstrukturen stabil zusammenarbeiten und kritische Schnittstellen funktionieren, um den Austausch von Personendaten mit Lichtquanten zu verschlüsseln«, freut sich Thorsten Goe- bel. Schnittstellen sind dabei die größte Herausforderung, sowohl zwischen Freistrahl und Glasfaser als auch zwi- schen Systemen. »Es ist ganz essenziell, dass wir uns auch weiterhin über Standardisierung von Schnittstellen im europäischen Kontext unterhalten.« Im nächsten Schlüsselexperiment soll nun demons- triert werden, wie sich eine quantengesicherte Kommu- nikationsverbindung zwischen einem fliegenden Flug- zeug und einer mobilen Bodenstation aufbauen und schließlich an ein Glasfasernetz anbinden lässt. Die flie- genden Lichtteilchen sollen zusätzlich am Ende auch an eine Ionenfalle übertragen werden, die als stationärer Quantenspeicher dient. Die Forschenden wollen damit die Reichweite fasergebundener Quantenkommunika- tion in Zukunft erhöhen, ohne dass Daten in sicherheits- kritischen Zwischenstationen ausgelesen werden müssten. Mit dem mobilen Setup könnten zukünftig Glasfaserlü- cken überbrückt und zum Beispiel sicherheitsrelevante Veranstaltungen wie ein G7-Gipfel in den Alpen durch eine Adhoc-Freistrahlverbindung abhörsicher gemacht werden. Die mobile Bodenstation in Größe eines kleinen 1 | 25 Seecontainers fängt mit einem Periskop die Signale von der Quantenquelle im Flugzeug ein. Ein Teleskop stabi- lisiert und bündelt sie, um sie weiterzuleiten. Statt eines Flugzeuges kann perspektivisch auch ein Satellit noch längere Distanzen überbrücken. Für die zu- künftige Forschung an Satelli- tenverbindungen für die Quan- tenkommunikation baut das Fraunhofer IOF in Jena auf sei- nem Neubau derzeit eine opti- sche Bodenstation, die ein sta- tionäres Empfängerteleskop beherbergen soll. Dieses soll eigene Teleskop-Entwicklungen ermöglichen und als Baustein für ein globales Quantennetz- werk fungieren. Doch nicht nur die Forschung muss hier inves- tieren: »Um die Quantenkom- munikation weiter voranzubrin- gen, müssen wir schnell in die Anwendung kommen«, wünscht sich Goebel. »Hier könnten zum Beispiel Bundesbehörden nicht nur als Fördermittelgeber, sondern als Early Adopter vorangehen.« Die Zeit dafür drängt, denn das Bedrohungspotenzial durch Cyberan- griffe und Abhöraktionen wächst mit den technischen Möglichkeiten, auch durch Quantencomputer. Und ähn- lich wie diese wird auch die Quantenverschlüsselung künf- tig kaum allein zum Einsatz kommen: »Um maximale Si- cherheit zu erzielen und Systeme resilienter zu machen, ist es sinnvoll, hybride Ansätze in der Datenverschlüsse- lung zu verfolgen und die Quantenschlüsselverteilung mit Post-Quantenkryptographie zu kombinieren.« Quantenbildgebung: Tumorgewebe mit Quantentrick erkennen Auch Goebels Kollegin am Fraunhofer IOF, Dr. Karin Burger, arbeitet mit ihrem Projektteam an verschränk- ten Lichtteilchen. Statt Abhörsicherheit nimmt sie jedoch medizinische Diagnostik in den Fokus. Wäh- rend einer OP weiß der Chirurg oder die Chirurgin oft nicht, ob der gesamte Tumor tatsächlich entfernt werden konnte. Eine Probe des Randgewebes wird ins Labor geschickt, um mit langwierigen Kontrastver- fahren in Kombination mit Lichtmikroskopie kran- ke und gesunde Zellen zu unterscheiden. Das kostet Zeit und kann Nachoperationen notwendig machen. »Zwar kommen neuere Digitalmikroskope mit Infra- rotdetektoren ohne zusätzliche Fluoreszenzmarker aus, stoßen aber wegen ihres Signal-zu-Rausch- 43

1 | 25 Verhältnisses schnell an ihre Grenzen. Und hochauflö- sendere Systeme sind im Aufbau sehr groß und bedürfen zusätzlicher Kühlung«, erklärt Karin Burger. Deshalb sind Krankenhäuser wie das Universitätsklinikum Jena auf der Suche nach schnelleren und effizienteren Verfahren. Quantenoptik könnte eine Alternative bieten. Im BMBF-geförderten QUANCER-Projekt arbeiten neun Pro- jektpartner aus Industrie und Wissenschaft gemeinsam mit dem Fraunhofer IOF an einem Rastermikroskop, das sogenanntes nicht-detektiertes Licht nutzt. In einer Pho- »Unser Ziel ist ein kompakter Aufbau für die Quanten- bildgebung in der Größe eines Schuh- kartons, idealerweise kompatibel mit einem Standardmikroskop.« Dr. Karin Burger, Fraunhofer IOF tonenquelle werden zunächst Paare von korrelierten Licht- teilchen erzeugt, die sich wie Zwillinge in ihren quanten- mechanischen Eigenschaften gleichen. Diese lassen die Forschenden zwei verschiedene Aufgaben verrichten: Während ein Lichtstrahl auf die Gewebeprobe gesendet wird, wird der andere mit einer Kamera eingefangen. Durch die Frequenzkorrelation der Teilchen werden die Informationen des Photons an der Probe auf das andere an der Kamera übertragen und dort sichtbar gemacht – ohne dass Letzteres überhaupt mit dem Gewebe in Be- rührung kommt. Das Besondere dabei: »Die Photonen der beiden Lichtstrahlen können auch ganz verschiedene Wellenlängen besitzen und so Einblicke in nur schwer zugängliche Wellenlängenbereiche geben«, erklärt die Wissenschaftlerin. »Zum Beispiel kann der eine Licht- strahl im unsichtbaren Infrarotbereich ganz spezielle Informationen, etwa zur chemischen Zusammensetzung oder Veränderungen in der Gewebemorphologie, aus der Probe herauslesen, während der andere Lichtstrahl im sichtbaren Bereich von einem herkömmlichen, rausch- armen Detektor ausgelesen werden kann.« Mit diesem 45

1 | 25 Wie läuft‘s? Leonhard Schmieder hat am Fraunhofer IPM ein auf Quantensensorik basierendes Verfahren entwickelt, um den Durchfluss in Rohren zu messen. 47

1 | 25 standardmäßig eingesetzt wird. Dieser neue An- satz würde komplexe Verkabelungen in zukünfti- gen Quantenrechnern mit höheren Qubit-Zahlen überflüssig machen. »Im Prinzip geht es darum, die CMOS-Chips, die eine wärmere Betriebstemperatur haben, und die Quantenprozessoren, die kryogene Bedingun- gen von -273,15 Grad Celsius brauchen, in einem System zusammenzubringen«, erklärt Marcus Wislicenus. »Durch ein Flexmodul, das auf der so- genannten Interposer-Technologie beruht, und ein fortschrittliches Packaging können wir diese Komponenten so entkoppeln, dass zwar die not- wendigen elektrischen Impulse übertragen wer- den, nicht jedoch die thermischen Schwingungen.« Diese interdisziplinäre Herangehensweise erfordert nicht nur eine enge Zusammenarbeit von Physik und Ingenieurswesen. Eine Herausforderung ist es auch, die Schnittstellen mit mehreren Partnern und Systemen bei unterschiedlichen Standards kompatibel zu gestalten. »Gemeinsam mit unseren Partnern in Dresden konnten wir das Design für die Co-Integration von CMOS- und Quantenchips sowie geeignete Materialen für das Temperatur- management festlegen«, verdeutlicht der Forscher die bisherigen Fortschritte des Teilprojekts. »Eine darauf basierende erste Generation Interposer ist bereits hergestellt und bei kryogenen Bedingun- gen erfolgreich getestet. Das umfasst auch den Nachweis der supraleitenden Eigenschaften der verwendeten Materialien. Außerdem waren die Tests für die kryogene Charakterisierung der CMOS-Chips von GlobalFoundries erfolgreich.« Der 10-Qubit-Prototyp ist nur ein Zwischen- schritt auf dem Weg zu einer höheren Skalierung. Zum Projektende im Dezember 2026 soll das Sys- tem so weiterentwickelt werden, dass es 30 Qubits bei größtmöglicher Fehlerkorrektur kontrollieren kann. Auch wenn nach einem regelrechten Quan- tencomputing-Hype in den letzten Jahren viele wegen langsamerer Fortschritte in der Techno- logieentwicklung vom einsetzenden Quanten- winter sprechen, zeigt sich Forscher Wislicenus optimistisch: »Vor allem durch den European Chips Act kommen wir nun zunehmend von der For- schung in die Praxis. In diesem Rahmen werden derzeit verteilte europäische Pilotlinien aufgebaut, um Quantenchips im Produktionsmaßstab her- zustellen. Damit wird nicht nur der Reifegrad der Technologie weiter gehoben, sondern es haben auch viel mehr Unternehmen und Start-ups Zugang dazu.« 49 All in one: Die Integration von Bauteilen mit unter- schiedlichen Betriebstem- peraturen verringert die Fehleranfälligkeit von Quantencomputern.

1 | 25 o t o h p k c o t s i / s a t o n r e B s i t y R : o t o F Smarter Ansatz: Ein virtuelles Abbild aus Gesundheitsdaten könnte den Wechsel Richtung Präventivmedizin beschleunigen. 51

Verstärkung fürs Knie – aus dem 3D-Drucker Sport und Bewegung fördern unsere Gesundheit. Doch falsche Belastung kann Knorpeldefekte in den Gelenken zur Folge haben. Unbehandelt können diese zu Arthrose führen – eine Erkrankung, für die es aktuell keine effektive Lösung gibt. Noch nicht. Von Manuel Montefalcone F ünf Millionen Frauen und Männer in Deutschland leiden schätzungs- weise an Arthrose, also an einem schmerzhaften Knorpelverschleiß in den Gelenken, der bislang als unheilbar gilt. Denn ein einmal zerstörter Knorpel wächst nicht mehr in der ursprünglichen Form nach. An ei- nem Lösungsansatz arbeiten nun Forschende des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymer- forschung IAP in Potsdam und der Brandenbur- gischen Technischen Universität Cottbus-Senf- tenberg (BTU) in dem Projekt BioPol-3D. Ziel ist die Entwicklung individualisierter Knorpelzell- implantate aus dem 3D-Drucker. Seit Januar 2024 wird das vierjährige Vorhaben mit zwei Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Knorpelzellen aus dem 3D-Drucker »Wir forschen seit Langem an Polymeren, die bio- funktional sind, also mit Zellen und Geweben interagieren«, erklärt Projektleiter Prof. Ruben R. Rosencrantz, der auch den Bereich Life Science und Bioprozesse am Fraunhofer IAP koordiniert. »Für BioPol-3D entwickeln und optimieren wir spezielle Polymere, die mit den Knorpelzellen komplementär sind und diese stabilisieren«, er- läutert Rosencrantz. Diese innovativen Biopoly- mere bilden die Ausgangsbasis für Knorpelzell- implantate aus dem 3D-Drucker. Der normale Bürodrucker benötigt Tinte. Doch wie ist das, wenn Knorpelzellimplantate gedruckt werden sollen? In diesem Fall kommt eine spe- zielle Biotinte zum Einsatz. Sie besteht aus den am Fraunhofer IAP entwickelten biofunktionalen Polymeren als Hydrogele sowie weiteren Bestand- teilen, die die natürliche Zellumgebung im Körper nachahmen. Zudem enthält die »Tinte« lebende Knorpelzellen der jeweiligen Patienten. Hydro- f r 3 2 1 / l i v e d k c o t S : o t o F Unser Skelett besitzt gut 360 Gelenke. Knorpel ermöglichen ihnen eine reibungs- freie Funktion. gele, Polymere und die körpereigenen Zellen bilden eine honigartige, viskose Masse, die genau auf die Bedürfnisse der Knorpelzellen abgestimmt ist. Biotinte mit revolutionärem Potenzial Die Forschenden am Fraunhofer IAP stehen in- zwischen kurz vor dem erfolgreichen 3D-Druck von Knorpelzellimplantaten: »Wir testen die Bio- tinte zunächst in vitro mit menschlichen Zellkul- turen, um die Biokompatibilität und Funktions- fähigkeit zu bestätigen«, so Rosencrantz. »Dabei muss die Tinte robust genug sein, um im Druck- prozess die gewünschte Form zu erzeugen und gleichzeitig eine Umgebung zu schaffen, die für Knorpelzellen geeignet ist.« Die gedruckten Knorpelzellimplantate bergen revolutionäres Potenzial sowohl in der gesund- heitlichen Versorgung als auch in der additiven Fertigung ähnlicher Formkörper. Wenn sich die- se 3D-Biodruck-Materialien und -Verfahren be- währen, könnten sie auch in Bereichen wie Sen- sorik und Kosmetik eingesetzt werden. »Indem wir maßgeschneiderte Implantate drucken, kön- nen Knorpeldefekte besser therapiert werden. Da- mit sinkt die Wahrscheinlichkeit für Arthrose als Folgeerkrankung deutlich«, resümiert Rosencrantz. »Auch in meiner Familie gibt es von Arthrose be- troffene Menschen. Umso mehr treibt es mich an, etwas zu entwickeln, das hier wirklich hilft.« 1 | 25 »Wir forschen seit Langem an Polymeren, die biofunktional sind, also mit Zellen und Geweben interagieren.« Prof. Ruben R. Rosencrantz, Fraunhofer IAP 53

1 | 25 S eit mehr als 25 Jahren ist Prof. Cars- ten Claussen auf der Suche. »Der eine Wirkstoff, der es in die Apothe- ke schafft, ist wie die sprichwörtli- che Nadel im Heuhaufen«, erzählt der Leiter des Hamburger Standorts des Fraunhofer-Instituts für Translationale Medizin und Pharmakologie ITMP. Einmal, so verrät Claussen, hätte er es fast geschafft. Doch dann zeigte das vermeintliche Alzheimer-Mittel im Menschen keine Wirkung. »Meine Frau dachte schon, wir würden reich. Da musste ich sie leider enttäuschen«, erinnert er sich. »So bleibe ich Fraunhofer erhalten – und das mit Freude!« Mit viel Ausdauer und Know-how durchkäm- men Claussen und sein Team Substanz-Biblio- theken, die oft hunderttausend oder mehr Mole- küle umfassen, nach einem »Hit«. So bezeichnen Expertinnen und Experten einen vielversprechen- den Treffer, der an einem zuvor identifizierten Wirkziel im Körper – dem Target – andocken und beispielsweise das Wachstum von Tumorzellen blockieren kann. Das Team führt sogenannte Hoch- durchsatz-Screenings durch, bei denen die Mole- küle automatisiert darauf getestet werden, ob und wie sie mit dem Target interagieren. Claussen: »Wir überprüfen natürlich nicht einfach irgendwelche Moleküle, sondern versuchen im Vorfeld, mög- lichst relevante auszuwählen.« Dafür nutzen die Forschenden bereits vorhandene Daten über che- mische Strukturen und biologische Eigenschaften der Moleküle wie Verstoffwechselung oder Früher wurde vor allem mit Pflanzen und Heilkräutern behandelt. Heute füllen Hightech-Arzneimittel die Regale der Apotheken. 55 l a p d / B Z / d o h f u a K d r a h n e R i : o t o F

Aggregate, die wie winzige Herzen kontrahie- ren«, freut sich Neubauer. Anschließend reifen sie und werden unter bestimmten Bedingungen so kultiviert, dass dreidimensionale Gewebe, so- genannte Organoide, entstehen. An diesen etwa stecknadelkopfgroßen Modell-Herzen kann bei- spielsweise getestet werden, wie sich innovati- ve Herzmedikamente auf die Kontraktionskraft oder den Rhythmus auswirken. Problemlos können auch verschiedene Wirkstoffe hinterei- nander oder in Kombination am gleichen Modell überprüft werden. Groeber-Becker: »Bei unseren Hautmodellen, die etwa fingernagelgroß sind, kann man sogar eine Formulierung, also zum Beispiel eine Creme, mit einem Wattestäbchen einmassieren.« Die Modelle lassen sich etwa ein bis zwei Wo- chen nutzen, danach sind die Zellen zu alt und verlieren schrittweise ihre Funktionalität. Noch könne man auf Tierversuche in der Medikamen- tenentwicklung nicht völlig verzichten, so Groe- ber-Becker. »Aber wir arbeiten daran, dass sie im- mer seltener notwendig sind.« Das Interesse an den Gewebemodellen und den Organoiden sei hoch, berichtet Groeber-Be- cker weiter, denn sie haben zusätzlich einen ent- scheidenden Vorteil: »Es entsteht eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis, weil sich mithilfe un- serer humanen Modelle die Prädiktionskraft er- höht. Das heißt, man kann sehr viel präziser vor- hersagen, wie sich der Wirkstoff im Menschen verhält und ob sich klinische Studien lohnen.« Doch selbst wenn die Prognose günstig ist: Nur ein Teil der aussichtsreichsten Wirkstoffkan- didaten landet tatsächlich bei den Patientinnen und Patienten. Denn eine der größten Hürden in der Arzneimittelforschung steht noch bevor: die Rekrutierung von Teilnehmenden für klinische Studien. Bisher werden Probandinnen und Probanden noch vorwiegend manuell gesucht. Mitarbeiten- de in Kliniken und Praxen überprüfen ihren Pa- tientenstamm und gleichen ihn mit dem Anfor- derungskatalog der jeweiligen Studie ab – ein mühsames, zeitaufwendiges Verfahren, das häu- fig erfolglos bleibt: Mindestens 20 Prozent aller klinischen Studien scheitern, weil nicht ausrei- chend viele Kandidatinnen und Kandidaten ge- funden werden können. Eine neue KI-basierte Lösung, entwickelt am Fraunhofer-Institut für Intelligente Analyse- und Informationssysteme IAIS in Sankt Augustin bei Bonn, schafft Abhilfe. Mit ihr ist es möglich, relevante Informationen einfach aus Fließtexten wie Anamnesen oder Arztbriefen zu ziehen und mit den Ein- und Ausschlusskriterien für klini- sche Studien zu vergleichen. In Sekundenschnel- le kann so beispielsweise die Datenbank einer Klinik durchforstet werden. Dabei ist es egal, in welchem Dateiformat die Informationen gespei- chert sind. »Aktuelle KI-Modelle können mit multimodalen Daten umgehen, also auch mit Bildern von Texten oder Tabellen. Wir arbeiten zurzeit an einer Integration solcher Modelle in unsere Lösungen«, erklärt Sina Mackay, Data Scientist am Fraunhofer IAIS. Der Abgleich mit den Anforderungskatalogen der aktuellen Stu- dien, die auf zentralen Websites wie dem EU Cli- nical Trials Register veröffentlicht werden, könn- te automatisch erfolgen. Studienteilnehmende per App schneller finden Doch nicht nur die Pharmaindustrie, auch viele Patientinnen und Patienten sind auf der Suche nach für sie passenden Studien – um beispielswei- se Zugang zu innovativen Therapien zu erhalten oder die medizinische Forschung zu unterstüt- zen und so anderen Menschen mit ähnlichen Er- krankungen zu helfen. Für sie hat das Fraunhofer IAIS-Team gemeinsam mit Partnern den Proto- typ einer App erstellt, die die persönlichen Daten aus der elektronischen Patientenakte (ePA) mit den Anforderungsprofilen der auf den Websites veröffentlichten Studien abgleichen könnte. »Die Wahrscheinlichkeit eines Treffers steigt, wenn beide beteiligte Parteien aktiv suchen – also so- wohl Wirkstoffentwickler als auch Patientinnen und Patienten«, verdeutlicht Mackay. Die Rekru- tierung von Studienteilnehmenden könnte dann sehr viel schneller, effizienter und erfolgreicher gelingen. Bevor die DATACARE-App aber auf die elektronische Patientenakte zugreifen darf, müssen unter anderem noch rechtliche Fragen ge- klärt und die Gewährleistung des Datenschutzes sichergestellt werden. Mackay: »Außerdem sollten selbstverständlich alle relevanten Dokumente in der elektronischen Patientenakte vorhanden sein, wovon wir im Moment noch nicht ausgehen kön- nen.« Sie bleibt jedoch zuversichtlich: »Ein Anfang ist gemacht.« 1 | 25 Mindestens 20 % aller klinischen Studien scheitern, weil nicht ausreichend viele Kandidatinnen und Kandidaten gefunden werden können. 57

1 | 25 Algorithmen von adiutaByte sollen Pflegenden mehr Zeit schenken für die Sonnenseiten des Jobs. würden«, sagt Feld. Doch die Optimierungs- lösungen von adiutaByte können überzeu- gen, weil sie den Pflegenden schnell spür- bare Entlastung bringen. »Selbst kleine Pflegedienste beschäftigen in der Regel eine halbe bis eine volle Kraft, die aus- schließlich die Touren ausarbeitet. Hinzu kommen noch Diensterstellung und Do- kumentation«, erklärt Feld. »Dank unserer Algorithmen sparen die Planer täglich vie- le Stunden, die sonst für zeitintensive Auf- gaben wie Routenplanung und das Dienst- plan-Sudoku draufgehen. Diese Zeit können sie nun wieder in die Pflege investieren.« I m Dezember 2021 über n im mt MEDIFOX DAN die Geschäftsanteile von adiutaByte für 2,4 Millionen Euro. Im November 2022 kauft das Unternehmen ResMed mit Sitz in San Diego, Kalifornien die MEDIFOX DAN Gruppe für eine Mil- liarde US-Dollar. »Wir werden bei ResMed als eine der Kronjuwelen in der Firmen- gruppe gehandelt«, freut sich Geschäfts- führer Feld. Die in Sankt Augustin ent- wickelten Optimierungsverfahren haben das Potenzial, die Softwarelösungen von ResMed entscheidend zu verbessern. Denn adiutaByte bietet nicht nur Algorithmen für die Touren- und Einsatzplanung, son- dern hat auch KI-Module programmiert, die emotionale und empathische Aspekte bei der Pflege- und Dienstplanung berück- sichtigen. Mittels Mustererkennung und Maschinellem Lernen wird unter anderem die Beziehung der Pflegenden zu Klienten e t y B a t u d a i , o t o h p k c o t s i / t u n o c o c a m i : s o t o F analysiert. So lässt sich beispielsweise ei- ne »Wunschpflegekraft« für Patientinnen und Patienten bestimmen und die Touren- planung automatisch darauf anpassen. Und das sei mehr als nur ein sympathisches Extra, betont Feld: »Eine optimierte Rou- tenplanung nutzt wenig, wenn eine ältere »Unsere Algorithmen sparen Pflegediensten täglich viele Stunden ein, die sonst für zeitintensive Aufgaben wie Routenplanung und Dienst plan-Sudoku draufgehen.« Dr. Dustin Feld, Co-Founder adiutaByte GmbH Das Gründungs-Team von adiutaByte: Dr. Dustin Feld, Vanessa Wolff und Eric Schricker (v. l. n. r.) Dame einem unbekannten Pfleger nicht die Tür öffnet.« Zeit einsparen, um mehr Zeit zu haben Da die Softwarelösungen der ResMed neben den USA auch in vielen anderen Ländern auf dem Markt sind, kann die adiutaByte-Technologie demnächst von ambulanten und stationären Pflegediens- ten weltweit genutzt werden: ein enormer Erfolg für eine Ausgründung, die erst seit fünf Jahren am Markt ist. Gestartet mit einem Jahresumsatz von 30 000 Euro, rechnet das Unternehmen mit seinen ak- tuell rund 20 Mitarbeiterinnen und Mitar- beitern für 2025 mit etwa zwei Millionen Euro Umsatz. Mehr als 700 Pflegedienste in Deutschland nutzen die Software und haben damit im Jahr 2023 über eine hal- be Million Stunden Zeit für die Pflege am Menschen eingespart. Bei adiutaByte ist man überzeugt, dass Hightech für den Pflegebereich künftig eine zentrale Rolle im Kampf gegen den Pflegenotstand spielen wird. »Immer we- niger Menschen arbeiten in der Pflege, wäh- rend der Bedarf stetig steigt«, fasst Feld das Dilemma zusammen. Mithilfe von Zahlen und Algorithmen könne man den Pflege- kräften letztendlich Zeit schenken – und auch den Beruf wieder attraktiver machen: »Es lohnt sich, dafür viel Herzblut einzu- setzen.« 59

1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt hat Gaia die Milchstraße vermessen. EUROPA Galaktische Archäologie Mit einzigartigen Daten von rund zwei Milliarden Sternen hat das Weltraumtele- skop Gaia in den vergangenen Jahren die exakte Vermessung der Milchstraße möglich gemacht. Für das Radialge- schwindigkeits-Spektrometer des Teles- kops, das die Dynamik von Himmelskör- pern anhand von Änderungen im Licht- spektrum erfasst, entwickelten Forschen- de des Fraunhofer-Instituts für Ange- wandte Optik und Feinmechanik IOF ein spezielles Transmissionsgitter. Dieses er- möglicht selbst unter extremen Welt- raumbedingungen präzise Messungen der sogenannten Rotverschiebung. Die Gitterstruktur des Bauteils ist eine Meta- oberfläche. Das heißt, sie besteht aus winzigen Mustern, die kleiner als die Wellenlängen des Lichts sind und mittels hochauflösender Elektronenstrahllitho- grafie erzeugt werden. Diese Nanostruk- tur spaltet das Sternenlicht in seine ein- zelnen spektralen Bestandteile auf. So lassen sich Bewegungsrichtung und Ge- schwindigkeit der Sterne relativ zur Erde exakt berechnen. Nach elf Jahren wurde die Raumsonde Gaia nun in ihre wohlver- diente »Rentenumlaufbahn« geschickt. EUROPA Intelligente Stahlproduktion o h n i t i o M . A : t n e m e g d e w o n k c A l . O G I . 0 3 A S - Y B C C ; C A P D / a i a G / A S E , o t o h p k c o t s i e l l a / u o y 4 e u b p e e d l , r k n o m i s , t j a , 9 h c i v c o r t e P : s o t o F Um den ökologischen Fußabdruck der europäischen Stahlindustrie zu verrin- gern, entwickeln elf Partner aus Industrie und Forschung im EU-Projekt DiGreeS unter der Leitung des Fraunhofer-Insti- tuts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP und gefördert von der Europäischen Union eine intelligente Plattform für die vernetzte Stahlproduktion. Durch die Verknüpfung von Schlüsseltechnologien – darunter Digitale Zwillinge, Künstliche Intelligenz und hochpräzise Softsensoren – verbessert die Plattform kontinuierlich die Nutzung zentraler Prozessdaten. Si- mulationen, präzise Prognosen und vor- ausschauende Prozessanpassungen er- möglichen zudem eine ressourcenscho- nende Steuerung in Echtzeit, eine Opti- mierung des Energieverbrauchs und der Produktionsgeschwindigkeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette und ver- Die Herstellung von Stahl verursacht rund 28 Prozent der gesamten Industrie-Emissionen in Deutschland. bessern nachhaltig die Produktqualität. Ziel ist, die CO2-Emissionen der europäi- schen Stahlindustrie um bis zu sechs Mil- lionen Tonnen pro Jahr zu senken und Kosten von bis zu 800 Millionen Euro einzusparen. 1 | 25 EUROPA Fraunhofer-App macht Luftqualität sichtbar Das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, HHI hat die kostenlose Augmented- Reality-App DEVA (Dynamic Exposure Visualization App) entwickelt, die Luft- verschmutzung in Echtzeit sichtbar macht. Schadstoffe wie CO₂, NO₂ oder Feinstaub erscheinen darin als schwe- bende Partikel im dreidimensionalen Raum um die Position des oder der Nutzenden herum – eine Visualisie- rung, die das Bewusstsein für lokale Umweltbedingungen schärfen soll. Feinstaub schädigt langfristig die Atemwege sowie das Nerven- und Herz-Kreislauf-System. DEVA greift dafür auf Datenquel- len wie das weltweite Sensornetzwerk Sensor.community und die Verkehrs- datensammlung von Telraam zu. Er- gänzend liefert ein Google-Dienst Mo- dellwerte für Regionen ohne eigene Messstationen. Neben der Visualisie- rung bietet DEVA die Möglichkeit, Rou- ten aufzuzeichnen, um die Luftqualität entlang eines Weges zu messen. Die App entstand im Rahmen des EU-Pro- jekts H2020 COMPAIR, um die Auswir- kungen verkehrsberuhigter Zonen auf die Luftqualität zu beurteilen. Dank einer modularen Struktur lassen sich relativ einfach weitere Umweltmess- daten integrieren und visualisieren – Potenzial sowohl für individuelles Ver- halten als auch für politische Entschei- dungsprozesse. Die App ist im Apple Store und Google Play Store verfügbar. 61

1 | 25 Sonne einfangen: Die schwimmende PV-Anlage auf dem Cottbuser Ostsee ist aktuell die Größte ihrer Art in Deutschland. 63 e k n a r F s a e r d n A : o t o F

nische Potenzial auf bis zu 45 Gigawatt Peak« – eine respektable Größe, die durchaus dazu beitragen könn- te, dass Deutschland sein Ziel erreicht, bis 2030 jähr- lich rund 600 Terawattstunden Strom aus erneuer- baren Energien herzustellen. Um das zu erreichen, sollen unter anderem Solaranlagen mit einer elektri- schen Gesamtleistung von 215 Gigawatt installiert werden. Was tut sich im Schatten der PV-Module? Ein Forschungsschwerpunkt von PV2Float liegt des- halb auf der Frage, inwieweit die strengen Installa- tionsregeln für schwimmende Photovoltaik wissen- schaftlich begründet sind. »Deutschland wählt bei der Regulierung neuer Technologien meist den vor- sichtigen Weg und lockert erst bei entsprechendem Wissensstand«, erklärt Stefan Wieland. Obwohl viele andere Länder hierbei anders agieren, ergibt das öko- logisch sanftere Vorgehen durchaus Sinn. Denn eine schwimmende Solaranlage verschattet zum einen den darunterliegenden Teil des Sees und verändert zum anderen die Windverhältnisse an der Oberflä- che. Beides kann die Durchmischung eines Gewäs- sers beeinflussen. Das wiederum kann die Nährstoff- konzentrationen im Wasser verändern. Und das hat schlussendlich Auswirkungen auf Flora und Fauna im See – vom Mikroorganismus bis hin zum Fisch. Auswirkungen auf das Ökosystem sollen in PV2- Float von der BTU Cottbus geprüft werden. Zugleich will das Forschungsprojekt mittels Computersimu- lation die Größe der PV-Anlage weiter skalieren, um so herauszufinden, wie viel Seefläche belegt sein darf, bevor das Ökosystem voraussichtlich kippt. »Wir forschen vollkommen ergebnisoffen«, betont Stefan Wieland: »Wenn das Projekt eine ungünstige Beein- flussung des Ökosystems schon bei Einhaltung der aktuellen Gesetze ergibt, werden wir auch das pub- lizieren.« Es gibt aber auch Hinweise darauf, dass Floating PV sich sogar positiv auf das Ökosystem im See aus- wirken könnte. Durch die Verschattung der Oberflä- che verdunstet beispielsweise weniger Seewasser, was etwa in der regenarmen Lausitz ein Vorteil sein kann. Zugleich erwärmt sich das Gewässer weniger – ein klares Plus in Zeiten des Klimawandels, da so das Al- genwachstum im See gemindert wird. Der lange Weg durch die Behörden Schwimmende Photovoltaik boomt: Die weltweit in- stallierte Gesamtleistung ist von rund zehn Megawatt E S I r e f o h n u a r F : o t o F 1 | 25 im Jahr 2014 gestiegen auf mehr als zwei Gigawatt im Jahr 2021. Um die Energieproduktions- und Klima- schutzchancen dieser Technologie in Deutschland besser nutzen zu können, müssen jedoch die Geneh- migungsverfahren einfacher werden, betont Stefan Wieland. Zu diesem Punkt haben die Forschenden des Fraunhofer ISE innerhalb von PV2Float Interviews mit Behörden und Projektbetreibern in Bayern, Ba- den-Württemberg, Nordrhein-Westfalen, Branden- burg und Rheinland-Pfalz geführt. Basierend auf diesen Gesprächen entwickelten sie ein Ablaufschema für Genehmigungsprozesse, das auf den ersten Blick an das U-Bahn-Netz einer Groß- stadt erinnert. Auf dem langen Weg zum Baubeginn einer FPV sind je nach Standort und See-Typ Natur- schutzbehörden und Bergbehörde, Bauamt und Ge- meinderat, Wasserbehörde, Forstamt und andere Trä- ger öffentlicher Belange (TÖB) involviert. »Selbst bei unserer kleinen Forschungsanlage im Mortkasee war es nicht gerade einfach, eine Betriebsgenehmigung zu bekommen«, erinnert sich Wieland. Hinzu kam, dass am Boden des Mortkasees eine relativ hohe Ab- rutschgefahr besteht, sodass die Anlage mit Beton- blöcken verankert werden musste – was weitere Gut- achten erforderlich machte. Wieland hat sich trotz des langen Genehmigungsprozesses einen positiven Blick bewahrt: »Da es uns gelungen ist, am Mortkasee eine schwimmende Solaranlage zu installieren, sind wir uns sicher, dass dies auch bei sehr vielen anderen künstlichen Seen gelingen kann!« Schwimmende Photovoltaik boomt: Die weltweit instal- lierte Gesamtleistung ist von rund zehn Megawatt im Jahr 2014 gestiegen auf mehr als zwei Giga- watt im Jahr 2021. 65

1 | 25 W enn Alexander Pamler mit dem KI-Mobil von Fraunho- fer Austria auf Tour ist, hat der Wissenschaftler aus Graz immer Schokokekse dabei. Und das nicht für den kleinen Hunger zwischendurch, sondern für den großen Aha-Effekt: Mit- hilfe der Kekse und des Demonstrators »Optische Qualitätskontrolle mit KI« möchte er Unternehmen und deren Mit- arbeitenden möglichst eindrücklich ver- mitteln, wie Künstliche Intelligenz zum Innovationstreiber für die industrielle Produktion werden kann. »Einfach mal reinbeißen oder ein Stückchen abbrechen«, fordert Pamler dann in der Regel die Interessenten auf. Die Ober- fläche des Cookies wird anschließend von einer Industriekamera von oben fotogra- fiert und das Bild weitergeleitet an einen Rechner. Durch den Vergleich zwischen Ist- und Sollzustand erkennt die KI sofort: Dieser Keks sieht definitiv nicht mehr so aus, wie er aussehen soll. Bei einem kräftigen Biss ins Gebäck- stück hätte man das vermutlich auch oh- ne KI hinbekommen. Doch was ist, wenn die Abweichung von der Norm nur mini- mal ist? Wenn also lediglich ein winziges Eckchen des Kekses abgebröselt wurde oder haarfeine Risse die Oberfläche durchzie- hen? Oder wenn es gar nicht mehr um ei- nen Schokosnack, sondern um die mög- lichst schnelle und zuverlässige Erkennung von Anomalien in der Produktion hoch- präziser Mikroelektronikchips geht? Effizient trotz Datenmangel Damit eine KI in der klassischen Cinde- rella-Aufgabe (»Die Guten ins Töpfchen, die Schlechten ins Kröpfchen«) reüssiert, muss sie zunächst einmal lernen, was die Norm ist und ab welchem Abweichungs- grad ein Fehler vorliegt. Beim traditionel- len Vorgehen wird die Künstliche Intel- ligenz dafür mit riesigen Datenmengen trainiert: Bildern von perfekten Produk- ten sowie allen denkbaren Fehlervarian- ten. Das allerdings kostet nicht nur sehr viel Zeit, sondern ist mitunter auch gar nicht möglich – etwa, weil es bei einer Produktionslinie so selten zu Anomalien kommt, dass gar nicht ausreichend Bild- material existiert. Im Projekt ImageCop hat Fraunhofer Austria in Kooperation mit dem Halb leiter- Hersteller Infineon Technologies Austria eine neue Herangehensweise entwickelt: »Mangels einer statistisch repräsentativen Anzahl fehlerhafter Chips haben wir aus den bekannten Daten der zahlreichen gu- ten Beispiele das KI-Verfahren ein Modell der Normalität lernen lassen – also das Modell eines einwandfreien Chips«, erläu- tert Projektleiter Dr. Ulrich Krispel von Fraunhofer Austria. »Ein Fehler wird dann als Abweichung von diesem Normalmodell erkannt.« »In Summe liefert die Maschine die besseren Ergebnisse.« Alexander Pamler, Fraunhofer Austria Besonders herausfordernd für das Trai- ning war die Tatsache, dass auch die »gu- ten« Mikrochips nicht alle identisch aus- sehen, sondern hier ebenfalls eine gewisse optische Varianz besteht – etwa durch win- zige Fussel auf der Oberfläche, die aber die Funktion nicht beeinträchtigen. Das Mo- dell, das von den Fraunhofer-Forschenden im Rahmen von ImageCop erstellt wurde, lernte aber, mit diesen tolerierbaren Ab- weichungen vom Soll-Zustand zurechtzu- kommen. »Die Erfolgsquote unserer KI- Software liegt knapp unterhalb der einer sehr gut ausgebildeten, hochkonzentrier- ten und motivierten Person«, erklärt Ale- xander Pamler. Doch welcher Mitarbeiten- de ist schon von der ersten bis zur letzten Arbeitsminute fokussiert und motiviert bei der Sache? Die KI hingegen ist 24/7 im Einsatz, wird nicht müde und lässt sich auch nicht ablenken. All das verschafft ihr letztendlich dann doch einen Vorsprung gegenüber der menschlichen Detektions- fähigkeit. Pamler: »In Summe liefert die Maschine die besseren Ergebnisse.« Geld sparen und Leben retten Die Spreu vom Weizen trennen: Die KI-ba- sierte Anomalieerkennung bietet nicht nur in der industriellen Überwachung span- nende Optionen, sondern könnte auch in anderen Branchen Anwendungsfelder fin- den, etwa in der Finanzwelt, in der Cyber- sicherheit oder bei der Betrugserkennung durch die Detektion abweichender Ereig- nisse oder Verhaltensweisen. Mit dem Pro- jekt KI4Med will Fraunhofer Austria zu- sammen mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologien IPT die KI-ba- sierte Anomaliedetektion zudem für den Einsatz in der Medizin weiterentwickeln. Im Fokus stehen dabei Gewebeproben, die bei Tumorverdacht während der Operation entnommen und bislang von Krebsspezia- listen untersucht werden. »Das dauert im Schnitt 20 bis 40 Minuten – wertvolle Zeit, in der der Patient oder die Patientin weiter- hin narkotisiert bleiben muss«, beschreibt Pamler das Szenario. »Solche Wartezeiten sind nicht nur ein zusätzliches Risiko für Komplikationen, sondern produzieren auch immense Kosten und belasten da- durch das Gesundheitssystem unnötig.« Ziel des Projekts ist die Entwicklung von Algorithmen, mit denen sich die Ge- webeanalyse automatisieren lässt und da- durch nur noch wenige Sekunden dauert. Auf Basis von Daten aus der Optischen Ko- härenztomographie (OTC) – ein bildge- bendes Verfahren, das über Lichtwellen Gewebestrukturen sichtbar macht, ohne dass dafür das Gewebe zerstört werden muss – lernt die KI-Software, zwischen gesundem und krankhaft verändertem Gewebe zu unterscheiden. Und das so schnell, dass die Operation nach der his- tologischen Prüfung ohne große Zeitver- zögerung fortgesetzt werden kann. Bis es so weit ist, setzt Pamler aber bei Demonstrationen im KI-Mobil weiter auf Schokokekse, um die Menschen von den Potenzialen der KI als Anomaliedetektor zu überzeugen. Denn Kekse, so der For- scher, »Kekse mag ja jeder.« o t o h p k c o t s i / 3 8 c r i t : o t o F 67

1 | 25 »Man muss die Struktur der einzelnen Kompo- nenten verstehen, um ihnen eine neue Form geben zu können.« Dr. Kerstin Müller, Fraunhofer IVV Aus dem Labor in die Praxis: Forscherin Dr. Kerstin Müller vom Fraunhofer IVV entwickelte nicht nur ein nachhaltiges Polymer, sondern auch den dazu passenden Extrusionsprozess. sagt Kerstin Müller. Deshalb untersuchte sie zahlreiche biogene Strukturen von Chitin bis hin zu Proteinen auf ihre Tauglichkeit. Aufgrund ihres einfachen Aufbaus mit linearen Molekülketten und ihrer nahezu unbegrenzten Verfügbarkeit eignet sich Cellulose aus Holz, Pflanzen oder Baumwolle am besten dafür – ohne dabei in Kon- kurrenz zu Lebensmitteln zu treten. Doch: »Aufgrund des starken Netzwerks aus Wasserstoffbrückenbindungen in der Cellulose ist der Energieaufwand, der zum Schmelzen des Polymers erforderlich wäre, so hoch, dass bereits vor- her ein Abbau des Polymers stattfindet.« Bisherige chemische Ansätze, dies zu umgehen, be- einträchtigten die Bioabbaubarkeit von Cellulose. Deshalb entwarf Kerstin Müller einen innovativen, rein physika- lischen Modifikationsansatz: Zwischen den langen, stei- fen Molekülketten der Cellulose verwendete sie Polymilch- säuremoleküle als Abstandshalter. Mit diesen gut kompatiblen Molekülen schaffte sie Platz für mehr Fle- xibilität. Dafür werden die pflanzlichen Polymere vorü- bergehend in einer ionischen Flüssigkeit gelöst, um dann die Polymilchsäure einzubringen. So bleibt die natürliche Struktur der Cellulose und damit die Bioabbaubarkeit erhalten – und das Lösemittel kann wieder zurückge- wonnen werden. Mit Laborversuchen gab sich die Wissenschaftlerin jedoch nicht zufrieden. Sie überführte ihr neues Verfahren in einen industriellen Prozess, um es auch für einen grö- ßeren Maßstab zu optimieren und die Wirtschaftlichkeit der Materialherstellung zu verbessern. Die Mischung wird in einen sogenannten Extruder gegeben, eine in der Kunst- stoffverarbeitung gängige Anlage. »Die Idee an sich ist nicht neu – auch im Lebensmittelbereich werden natürliche Po- lymere mit Lösemitteln, in der Regel Wasser, extrudiert, um beispielsweise texturierte Proteine als Fleischersatz herzustellen«, erklärt Müller. »Polymer-Gel und Schmelze in einem Schritt zu blenden, hatte bis dato aber noch nie- mand ausprobiert.« Die ersten Versuche stellten sie sogleich vor eine Herausforderung. »Am Anfang blieb der Extruder stehen, ich musste ihn mühsam auseinanderbauen und von Cellulose-Batz befreien«, erinnert sie sich. »Aber zum Glück hat es danach geklappt.« Am Ende konnte sie zeigen, dass die Herstellung homogener Blends aus hochkonzen- triertem Cellulose-Gel im Extrusionsprozess gut funktio- niert und den Weg ebnen könnte für zahlreiche Anwen- dungsmöglichkeiten. Das neue Material könnte sowohl als Mulchfolie, Baumwuchshülle oder biologisch abbaubarer Pflanzentopf zum Einsatz kommen als auch für Möbel oder andere Formteile Innenräumen verwendet werden. V V I r e f o h n u a r F : o t o F Zum zweiten und dritten Preis 69

1 | 25 »Die Trocknungsbedingungen sind entscheidend für einen fehlerfreien und homogenen Schichtaufbau.« Dr. Patricia Erhard U m komplexe Innenkonturen in Guss- teilen etwa für die Automobilindustrie oder Medizintechnik abzubilden, werden in der traditionellen Gießerei Sandker- ne verwendet. Hergestellt werden diese häufig mit dem additiven Fertigungsverfahren Binder Jetting. »Das Problem besteht darin, dass wir oft technische Grenzen bei der Gestaltung der Hohlräume in Gussbauteilen er- reichen«, erklärt Patricia Erhard. »Der Zielkonflikt zwischen me- chanischer Festigkeit und der Entformbarkeit, also dem Ent- fernen der Kerne nach dem Guss, schränkt unsere Möglichkeiten ein.« In ihrer Doktorarbeit entwi- ckelte die am Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV tä- tige Forscherin einen neuen An- satz, mit dem sie die Hürden für die industrielle Umsetzung der Technologie senken will. Anstelle von trockenem Quarzsand nutzt sie einen wasserbasierten Keramik- schlicker mit der Konsistenz flüssiger Wandfarbe. Die kleineren Korngrößen und der schichtweise Auftrag der Suspension ermöglichen feinere Oberflächen- strukturen und eine höhere Dichte als bisher. Durch das anschließende Sintern werden die Kerne hochfest und temperaturstabil. Damit eröffnen sich neue Mög- lichkeiten für die Gestaltung filigraner Innenstruk- turen in Hochleistungsgussbauteilen. V C G I r e f o h n u a r F : s : o o t t o o F F Filigranere Bauteile für viele Industrien So vielschichtig wie ihr Verfahren sind auch dessen Herausforderungen: Jede Schicht muss vor dem Be- drucken mit dem Bindemittel getrocknet werden. Da die schichtweise Trocknung sowohl die Materialei- genschaften als auch die Prozesseffizienz beeinflusst, lag ein großes Augenmerk ihrer Arbeit darauf. »Die Die mittleren Rautiefen konnten gegenüber dem konventionellen 3D-Druck mit Sand um etwa 90 % reduziert werden. Trocknungsbedingungen sind entscheidend für einen fehlerfreien und homogenen Schichtaufbau. Mit einer geeigneten Trocknungskonfiguration konnte ich ein dichtes Gefüge erreichen und die mittleren Rautiefen gegenüber dem konventionellen 3D-Druck mit Sand um etwa 90 Prozent auf 1,2 μm reduzieren«, so Er­ hard. Das Entfernen des Gießkerns aus dem fertigen Produkt war eine weitere Her­ ausforderung, denn: »Je komple­ xer der Kern, desto schwieriger ist es, ihn nach dem Guss wieder aus dem Bauteil herauszulösen.« Patricia Erhards Lösung: einge­ baute Sollbruchstellen. Dadurch zerfällt der Gießkern bei der Ab­ kühlung in Scherben und lässt sich leicht entfernen. Die Vorteile des schlickerba­ sierten 3D­Drucks sind vielfältig: Er ermöglicht feinere Schicht­ dicken, dichtere und stabilere Gießkerne sowie geometrisch fle­ xible Formen. Dies führt zu prä­ ziseren Bauteilen mit hochkomplexen Innenstruktu­ ren. Ihre gewonnenen Erkenntnisse testete die Forscherin auch in zwei praktischen Anwendungs­ fällen: So sind Kerne für Kühlstrukturen in Gussbau­ teilen, wie sie beispielsweise für wassergekühlte Elek­ tromotorengehäuse benötigt werden, derzeit nur begrenzt filigran und damit effizient. Mit ihrem Ver­ fahren können nun hochfeste, temperaturstabile und detailliertere Kühlkanäle gefertigt werden, die eine bessere Wärmeableitung genau dort, wo die Wärme entsteht, ermöglichen. Ein zweiter Use Case sind 3D­ gedruckte QR­Code­Formeinleger, mit denen die Bau­ teile über den Fertigungsprozess und potenziell die gesamte Produktlebensdauer eindeutig gekennzeich­ net werden könnten. Darüber hinaus hat das von Pa­ tricia Erhard entwickelte Verfahren aber auch großes Potenzial etwa zur Herstellung von komplexen Bau­ teilen für die Luft­ und Raumfahrtindustrie oder me­ dizinischen Implantaten. 71

Heute können Resonator-Spiegel direkt in Fasern mit einem Durch- messer von 100 Mikrometern geschrieben werden. 1 | 25 modige Fasern mit einem Durchmesser von mehr als 50 Mikrometern waren solche optischen Gitter zu Beginn meines Promotionsvorhabens kaum er- forscht«, erklärt sie. »Heute können damit Resonator- Spiegel direkt in Fasern mit einem Durchmesser von 100 Mikrometern geschrieben werden.« Die Integra- tion dieser Bauteile, die für die Rückkopplung und Verstärkung des Laserstrahls nötig sind, vereinfacht die Bauweise und erhöht die Robustheit der Strahl- quellen. Da sich damit optische Elemente samt auf- wendiger Justage einsparen lassen, sinken auch die Herstellungskosten. Aufgrund ihrer Kompaktheit und Effizienz sind Diodenlaser beliebte Strahlquellen zum Pumpen von Festkörperlasern. Ihr Emissionsspektrum ist aller- dings typischerweise um ein Vielfaches breitbandiger als das Absorptionsspektrum des Festkörperlaser- kristalls. Um die Wellenlängen des Diodenlasers zu stabilisieren, nutzt die Forscherin ebenfalls ein direkt eingeschriebenes Faser-Bragg-Gitter. Als Rückkoppel- element eingesetzt, reduziert es die Bandbreite und sorgt dafür, dass alle in die Faser eingekoppelten Di- odenlaser nur noch die gewünschte Wellenlänge emit- tieren. Dieses Vorgehen steigert die spektrale Brillanz und macht das optische Pumpen von Festkörperlasern wesentlich effizienter und kostengünstiger – ein enormer Vorteil für industrielle Anwendungen. So könnten die Erkenntnisse aus ihrer Doktorarbeit zu neuartigen Faser- und Diodenlasern führen, die effi- zienter und vielseitiger in verschiedenen Industrien einsetzbar sind und auch Zukunftstechnologien wie laserbasierte Trägheitsfusion beflügeln könnten. Disziplin und Durchhaltevermögen bewies die Forscherin nicht nur in ihrer wissenschaftlichen Ar- beit, sondern auch im Sport: Als amtierende Vize- Europameisterin und dreifache Deutsche Meisterin im Powerlifting weiß sie, was es heißt, Großes zu stem- men. »Die Promotion war allerdings noch ein Stück schwerer als meine Hanteln«, blickt sie zurück. n e t r a g m u a B f l a R / r e f o h n u a r F : o t o F »Es fesselte mich, dass sich die Welt mittels physikalischer Zusammenhänge und Formeln beschreiben lässt – und wie vielseitig Laser sind.« Dr. Sarah Klein, Fraunhofer ILT 73

Foto & Fraunhofer 1 | 25 Brandgefährlich Mindestens 29 Todesopfer, mehr als 16 000 Ge- bäude zerstört: Mit Schrecken hat die Welt im Ja- nuar auf die verheerendsten Waldbrände in der Geschichte Kaliforniens geblickt. Mit einem neuen Löschverfahren möchte das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst- Mach-Institut, EMI gemeinsam mit dem Unter- nehmen CAURUS Technologies dazu beitragen, Waldbrände in Zukunft effizienter zu bekämpfen. Bisher lassen Löschflugzeuge ihre Ladung aus Sicherheitsgründen weit oberhalb des Brandherds in die Tiefe fallen. Winde und die Thermik ver- wehen dadurch einen Großteil des Wassers – nur eine geringe Menge erreicht das Feuer. Beim neuen Verfahren wird das Löschwasser in einem verschlossenen Sack abgeworfen, der sich erst kurz über dem Brandherd öffnet. Ein speziel- ler Mechanismus erzeugt eine Aerosolwolke, deren Tröpfchen dem Feuer schnell Energie entziehen und es so innerhalb kurzer Zeit löschen können. »Nahezu 100 Prozent der Wassermenge landen ziel- genau in den Flammen«, erklärt Dr. Dirk Schaffner, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer EMI. Eine Kombination aus Sensoreinheit und Analyse- software von CAURUS Technologies ergänzt das System, um auch den Wasserabwurf zu optimie- ren. Im Vergleich zur bisherigen Methode genügt so etwa ein Fünftel der Wassermenge, um einen gleich großen Brand zu bekämpfen. Eine ähnliche Technologie nutzt die Feuer- wehr bereits am Boden in Hochdruckdispersions- düsen; in der luftgestützten Waldbrandbekämp- fung war ihr Einsatz bisher nicht möglich. Ein Prototyp der neuen Löschmethode wurde bereits erfolgreich getestet, ein großer Versuch au- ßerhalb des Labors steht an. Der Bedarf wird immer dringender: Laut einer Studie der World Weather Attribution erhöht der Klimawandel die Wahr- scheinlichkeit für Großbrände im Vergleich zu vor- industriellen Zeiten etwa um 35 Prozent. i a p d / P A / u h C W H o g n R . . i : o t o F 75

1 | 25 »Es kann gelingen, in dieser Zukunfts- technologie bedeu- tenden Mehrwert für Deutschland zu schaffen.« Hans-Dieter Hoffmann, Fraunhofer ILT 77

Fraunhofer vor Ort Darmstadt Stuttgart München 1 | 25 München 24. – 27. Juni 2025 Laser Weltleitmesse und Kon- gress für Komponenten, Systeme und Anwendun- gen der Photonik München 24. – 27. Juni 2025 automatica Leitmesse für intelligente Automation und Robotik Stuttgart 6. – 9. Mai 2025 Control Internationale Fachmesse für Qualitätssicherung München 2. – 5. Juni 2025 transport logistic Weltleitmesse für Logistik, Mobilität, IT und Supply Chain Management Darmstadt 4. – 5. Juni 2025 Fraunhofer Jahres­ tagung Fraunhofer-Magazin Das Magazin für Menschen, die Zukunft gestalten Wollen Sie das Fraunhofer- Magazin sofort bei Erscheinen in Ihrem Briefkasten – kostenlos? Bestellen Sie direkt online unter http://s.fhg.de/bestellen Leichter bauen Klimaneutral – vom Neubau bis zur Sanierung 4 2 | 4 Hier keimt Hoffnung Neue Chancen im Kampf gegen Bakterien Dr. Winterberg und Dr. Dahlmann (r.), Fraunhofer ITEM Zukunftspreis 2024 an Fraunhofer Bundespräsident Steinmeier verleiht wichtigste Auszeichnung für Innovation »Wir schaffen mehr!« Ministerpräsident Stephan Weil im Interview 79 1 | 25Violetta Schumm, Fraunhofer IGCVLandlust statt Landfrust Start-up: eine App für die meisten Deutschen»Fraunhofer denkt denTransfer schon mit!«Ministerpräsident Daniel Günther im InterviewWir sind auf dem SprungWirtschaft & Wissenschaft: Transfer für unsere ZukunftKleine Quanten,große WirkungWie neues Computingneue Lösungen schafft3 | 24Schutz vor CyberangriffenSo schafft Quantentechnologie mehrSicherheit für kritische NetzwerkeNatürlich wärmenReizthema Wärmepumpe:Jetzt gibt es neue ChancenAber bitte mit Köpfchen Wie sich KI und Robotik verbindenAmelie Reigl,Gründerin TigerShark ScienceRaum für großeGründen – einGewinn für dieGesellschaftIdeen