Fraunhofer-Magazin 3.2026

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Kollege Roboter Die Chance für unsere Wirtschaft 6 2 | 3 Die Energie der Sonne Kernfusion: Eine Vision, viele Fragezeichen – Fraunhofer-Antworten fürs Hier und Jetzt Hormus und die Folgen Fraunhofer-Forschung für eine sichere Versorgung KI im Trennungsstress Vergessen lernen: So sichern Unternehmen ihre Daten Dr. Jan Engels, Fraunhofer IAF

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9. Fraunhofer Alumni Summit 2026 Simulation trifft Software: Effizienz steigern, Innovation gestalten In Zusammenarbeit mit Fraunhofer IESE & ITWM Freitag, 13. November 2026, Kaiserslautern + Exklusive Stadtführung »750 Jahre Kaiserslautern« www.fraunhofer-alumni-summit.de © Getty Images /Eugene Mymrin

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3 | 26 Editorial Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka ein Mehr an Freiräumen, um das »Valley of Death« zwischen Forschungserfolg und industrieller Skalierung zu überwin- den. Wirtschaftlicher Erfolg, das ist unsere Überzeugung, gelingt nur im Schulterschluss, wenn Wissenschaft, wenn Industrie und wenn Politik ihre Kräfte bündeln, um For- schung in die Anwendung zu bringen. Angewandte Forschung ist, die Leser wissen und schätzen das, Inhalt auch dieses »Fraunhofer-Magazins«. Besonders aufmerksam machen möchte ich Sie auf zwei große Themen in diesem Magazin. Wir haben wahrscheinlich alle die tan- zenden und turnenden Roboter aus China bestaunt. Wie sich jenseits solcher Showprogramme in der Robotik Chancen für die deutsche Fertigungsindustrie auftun, beschreibt der Beitrag »Die neuen Kollegen« von Seite 38 an. Die Titelge- schichte »Griff nach den Sternen« zeigt, dass Kernfusion mehr ist als eine Zukunftsvision. Fraunhofer-Forschende holen die Vision in die Realität – und das mit sehr prakti- schen Lösungen für die Welt von heute. Damit unsere deutsche Wirtschaft eben nicht nur eine große Vergangen- heit und Tradition hat. Wir bei Fraunhofer leisten mit angewandter Forschung unseren Beitrag für die Zukunft, für eine große Zukunft. Ihr Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft Nehmen wir die Alarmrufe als Weckrufe Von Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka Deutschlands Wirtschaft hat Tradition. Das älteste noch existierende Familienunternehmen? Gegründet wurde es anno 1502 als Stahlschmiedebetrieb. Ein Firmensitz ist bis heute die Stadt Siegen in Nordrhein-Westfalen. Es hat die Napoleonischen Kriege überstanden, zwei Weltkriege, Wirtschaftskrisen. Heute, in der inzwischen 17. Familien- generation, trägt es den internationalen Namen »The Coatinc Company« und schützt Metalle durch Verzinken und Beschichten vor Rost. Solche Geschichten aus der Geschichte der deutschen Wirtschaft beeindrucken. Sie zeugen von Resilienz und Widerstandskraft in der Ver- gangenheit. Aber wie steht es heute, im Jahr 2026? Die Gegenwart wirkt düster. Die großen deutschen Auto- bauer haben im ersten Halbjahr 2026 sechs Prozent Fahr- zeuge weniger ausgeliefert als im Vorjahreszeitraum. Es ist, hat das »Handelsblatt« ausgerechnet, der niedrigste ge- meinsame Absatzwert seit 2022. Auch über die für unsere Wirtschaft so entscheidende Autobranche hinaus häufen sich die Alarmrufe. Nach einer Studie des Instituts der Deutschen Wirtschaft hat Deutschland in den vergangenen sechs Jahren kaum noch eine Steigerung der Produktivität erreichen können. Dabei gilt der Produktivitätsfortschritt Fachleuten als zentraler Motor unseres Wohlstands. Zeit für Depression? Das kann nicht die Lösung sein. Nehmen wir die Alarmrufe als Weckrufe. Deutschlands Wettbewerbsfähigkeit braucht Innovation. Kluge Köpfe sind der Rohstoff unseres Landes. Doch darf für sie die Labortür nicht zur Sackgasse werden. Wenn wir unseren Wohlstand auf Dauer sichern wollen, dann genügt es eben nicht, nur exzellent zu forschen. Wir müssen wissenschaft- liche Erkenntnisse schneller, viel schneller in industrielle Wertschöpfung überführen. Deshalb fordern wir von Fraunhofer in einem gemeinsamen Positionspapier mit dem Bundesverband der Deutschen Industrie, die im Koalitionsvertrag festgelegte Innovationsfreiheitsoffensive zügig umzusetzen. Industrie und Wissenschaft brauchen zurück zu Seite 1 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

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3 | 26 Inhalt 38 Humanoide Robotik Unterstützung ist auf dem Weg Humanoide Roboter werden bei der Arbeit nie müde oder krank. Doch für den Dauereinsatz fehlt ihnen leistungsfähige Hardware. Zukunftsenergie Wir bauen uns eine Sonne Kernfusion als saubere Energiequelle nutzen: Dafür entwickelt Dr. Astrid Bingel am Fraunhofer IOF optische Komponenten. 10 Griff nach den Sternen Fraunhofer-Forschende arbeiten an den Bausteinen des ersten Fusionsreaktors – und die Industrie profitiert schon heute davon 24 Mit EDENenergy ins zweite Leben Mehr rausholen: Ein Fraunhofer-Start-up nutzt Akkus von E-Bikes und Scootern als Industriespeicher 54 Besser geschützt im Brandfall PV auf dem Dach, Batteriespeicher im Keller? Das kann gefährlich werden, wenn es brennt. Ein neues Sensorsystem bringt mehr Sicherheit 03 Editorial 06 Kurz gemeldet 09 Impressum 26 Aus Forschung wird Wirtschaftskraft Seit 25 Jahren begleitet Fraunhofer Venture Jungunternehmer, die mit Fraunhofer-Technologien die Welt verändern wollen 28 Reststoff? Ressource! Was führt Deutschland aus der Düngemittel-Abhängigkeit? Vier Projekte liefern neue Ansätze 58 Macht die Fliege Chitosan aus Insekten- häuten ist eine umwelt- freundliche Alternative zu erdölbasiertem Plastik. 4 10

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32 Den Krisen einen Schritt voraus Ein Forschungsteam nutzt die Lehren aus der Flutkatastrophe im Ahrtal, um die Resilienz von Behörden und Organisationen zu steigern 35 Wenn Pilze zu Baustoffen werden In Dortmund entstehen Dämm- platten und Schallabsorber aus Myzelmaterial 38 Die neuen Kollegen Leistungsfähige Hardware für humanoide Roboter: Eine große Chance für die deutsche Ferti- gungsindustrie 46 Smarter Schwarm Im Team noch leistungsfähiger: Neue Wege für die Kommunika tion im Drohnen-Netzwerk 48 Runter vom Flickenteppich Digitale Verwaltung: Wie können KI und Automatisierung zur Entbürokratisierung beitragen? 62 Herzenssache Neuartige Stents sollen dem Herz- muskel besser auf die Sprünge helfen. 3 | 26 76 Ein Prosit der Sicherheit Wie Drohnen als intelligente Beobachter Massenveranstaltungen wie das Oktoberfest schützen. 50 Den Ex aus dem Kopf Wenn Projektpartnerschaften zerbrechen, ist »föderiertes Unlearning« gefragt 56 Viagra für die Kleinsten Ein bekannter Wirkstoff soll Kindern mit einer seltenen Stoffwechsel erkrankung helfen. 64 Exzellente Forschung 2026 Ausgezeichnete wissenschaftliche Leistungen der Fraunhofer-Mit- arbeitenden 72 Foto & Fraunhofer Wenn die Flüsse künftig weniger Wasser führen, müssen Schiffe leichter werden 74 Fraunhofer international 52 Rakete aus dem Printer 76 Fliegende Augen und Ohren Schneller ins All: Mit additiver Fertigung lassen sich Bauteile leichter und günstiger herstellen 56 Mit Viagra Leben retten Am Fraunhofer ITMP identifizieren Forschende Wirkstoffe für Seltene Erkrankungen 58 Nachhaltig verpackt Insektenhäute und andere Rest- stoffe als ökologische Alternative zur Kunststofffolie 60 Der Feind im Videostream Eine Fraunhofer-Software erkennt Videofakes in Echtzeit 62 Hilfe fürs Herz Speziell beschichtete und sich auflösende Stents senken das Thrombose-Risiko zurück zu Seite 1 Smarte Frühwarnsysteme für mehr Sicherheit auf Großveranstaltungen 79 Aus Vision wird Zukunft Angewandte Forschung: Mit einem Open-Source-System gegen Cyberangriffe 58 % der Europäer stehen der Kernfusion positiv gegenüber und sehen die Technologie als künftige Energiequelle. Die Befragung von 19 144 Personen im Rahmen des Forschungsprojekts EUROfusion zeigt auch: Durch sachliche Infor- mationen zum Thema steigt die Zustimmung noch einmal deutlich. 58 e n i l n O 1 F / y s k c o t S / s e r r o T r o t c i V , s e g a m i s u i t i r u a m / s e g a m I n o k I / n o t s r u B r e v i l O , a p d / l e f f e n K r e t e P , n n a m r e t a R s a n o J , m u D r e v i l O , g n i r ö D n e v S : t l a h n I s o t o F 5 ; ) 2 ( g n i r ö D n e v S , n n a m r e t a R s a n o J : e t i e s k c ü R d n u r e v o C s o t o F

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3 | 26 Kurz gemeldet Laufschuhe sollten nach etwa 500 bis 800 Kilometern ersetzt werden. Sneaker einfacher recyceln Hochwertige Sportschuhe sind meist aufwendig aus mehreren Materialien zusammengesetzt – mit negati- ven Folgen für Produktion und Recycling. Fraunhofer- Forschende zeigen im Projekt ZiProMat, dass es anders geht: Sie haben eine Sohle aus einem einzigen Material entwickelt, das unterschiedliche Funktionszonen mit- einander verbindet. So kann der hintere Bereich für den Aufprall der Ferse auf den Boden besonders gut gedämpft werden, während sich der Mittelteil für das Abrollen eher weich und der Vorderfuß etwas fester gestalten lassen. Indem die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen die Materialstruktur durch eine bestimmte Anordnung von Rippen oder Zacken gestalten, wird das Verhalten des Materials unter Belastung programmierbar. Als Monoma- terial-Basis nutzen sie ein thermoplastisches Co-Polyes- ter-Elastomer. Ein Team des Fraunhofer Clusters of Excel- lence Programmierbare Materialien CPM hat gemeinsam mit dem Sportartikelhersteller Puma die Machbarkeit und die Vorteile der Technologie bereits demonstriert. Haarstyling-Produkte tierversuchsfrei testen die Atemwege nachzuweisen. Forschende am Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experi- mentelle Medizin ITEM haben eine innovative zell- basierte In-vitro-Inhalationsmethode entwickelt, mithilfe derer sie respiratorische Effekte einschät- zen und potenziell schädliche Substanzen identi- fizieren können. Das tierversuchsfreie Verfahren unterstützt die sichere Produktentwicklung. Im Auftrag der Industrie untersuchte das For- schungsteam vier Substanzen, die zur dauerhaf- ten Glättung der Haare eingesetzt werden. Die feuchte Chemikalie wurde dabei auf die Echthaar- strähnen aufgetragen und anschließend bei etwa 200 Grad Celsius mit einem Glätteisen über das Haar gezogen, wobei Aerosole freigesetzt werden. Das Forschungsteam wies große Unterschiede beim Ausmaß der Aerosolfreisetzung und der Dosis- Wirkungs-Beziehung nach, die vor allem in der Zusammensetzung der Inhaltsstoffe begründet waren. Die gesundheitsschädlichen Substanzen können mit der neuen Methode erkannt und zu- künftig gezielt durch andere Komponenten ersetzt werden. Eine neue Testmethode hilft, Atemwegserkrankungen bei Mitarbeitenden im Frisiersalon vorzubeugen. Friseurinnen und Friseure sind bei ihrer Arbeit chemischen Dämpfen und Aerosolen ausgesetzt, die zu Atemwegsreizungen, Husten oder Kurzat- migkeit führen können. Doch bisher fehlten wis- senschaftliche Verfahren, um die gesundheitlichen Auswirkungen der feinen Partikel in der Luft auf 6

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3 | 26 Müll-Roboter hilft mit schweren Tonnen Ein KI-gestützter Roboter soll Mitarbeiten- de der Müllabfuhr bald bei ihrer körperlich anstrengenden Arbeit entlasten. Das Fraun- hofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV arbeitet gemein- sam mit Partnern an einem intelligenten Ro- botersystem, das Mülltonnen selbstständig aufnimmt, leert und wieder absetzt. Es soll an das Heck von herkömmlichen Müllfahrzeu- gen montiert werden. Mithilfe von Sensoren kann das System eine digitale 3D-Karte der Fahrzeugumgebung erzeugen. So erkennt es Personen und Hindernisse zuverlässig. Spe- zielle Algorithmen berechnen in Echtzeit eine sichere Bewegungsbahn des Roboters. Die in- telligente Verschaltung von Sensorsystemen sichert die gesamte Applikation ab. Bevor der Roboter zum Einsatz kommt, übt er den Ge- samtablauf der Bewegung in einer Computer- simulation: Dort lernt ein Algorithmus, wie er sich geschickt an Hindernissen vorbei bewegt. Zusätzlich variiert das Projektteam in der Si- mulation systematisch Parameter wie Gewicht und Aussehen der Mülltonnen, Reibung bei o t o h p k c o t s i e l l a / s r u o o c d l i l o s , n o n e z k , l d n u b o c a j , i r a f o g A y k c i D l : s o t o F Handspülmittel enthalten wegen ihrer fettlösenden Wirkung besonders viele Tenside. deren Aufnahme oder Bildrauschen der Ka- meradaten. »Das macht den Übergang in die Praxis deutlich robuster«, unterstreicht Jannik Möhrle, Projektleiter am Fraunhofer IGCV. In Zukunft soll ein Roboter die Tonnen in die Halterung am Müllwagen heben. Spülen mit gutem Gewissen Tenside bewirken, dass Fett und Schmutz sich lösen, Haarwasch- mittel schäumen oder Öl-Wasser- Gemische in Cremes stabile Emul- sionen bilden. Weltweit werden pro Jahr mehr als 18 Millionen Tonnen Tenside synthetisiert, die meisten aus fossilen Rohstoffen. Einem Team des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrens- technik IGB ist es jetzt gelungen, mikrobielle Biotenside zu entwi- ckeln – vielseitig einsetzbar, biolo- gisch abbaubar und hergestellt aus heimischen nachwachsenden Roh- und Reststoffen. Dr.-Ing. Susanne Zibek, technische Biologin und In- genieurin, untersuchte gemeinsam mit ihrer Arbeitsgruppe Vertreter von Glykolipid-Biotensiden, die aus einem Zucker und einem oder mehreren Fettsäureestern bestehen. Sie werden von Mikroorganismen in größeren Mengen gebildet. »Für die Herstellung können wir erneu- erbare Substrate wie Zucker oder regional verfügbare Pflanzenöle einsetzen«, so Zibek. Dabei gelang es ihr gemeinsam mit Partnern, die biotechnologische Produktion zu optimieren. Einige mikrobielle Gly- kolipide zeichnen sich zudem durch antibakterielle, antimykotische und antivirale Eigenschaften aus, was sie für einen Einsatz in Kosmetik oder Pflanzenschutz prädestiniert. zurück zu Seite 1 7

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3 | 26 Die »ShadeCut«- Technik lässt PV-Module wie Dachziegel aussehen. Wie PV-Module im Dach verschwinden Mithilfe einer innovativen Technologie aus dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE lassen sich Solarmodule zukünftig ästhetisch in Gebäude integrieren. Eine speziell strukturierte Folie ermöglicht, komplexe Muster, Bilder und Farben direkt auf die PV-Module zu bringen, oh- ne deren Effizienz nennenswert zu beeinträchti- gen. Die sogenannte »ShadeCut«-Technik kann auf allen gängigen Modulen angewandt werden, das gewünschte Muster wird in die Folien mit MorphoColor®-Beschichtung durch Laser- oder CAD-gesteuerte Prozesse geschnitten. Dr. Martin Heinrich, Gruppenleiter für Ein- kapselung und Integration von Photovoltaik am Fraunhofer ISE: »Module mit ShadeCut können wie Mauerwerk oder Dachziegel aussehen und sich farblich perfekt einpassen. Auch eine indivi- duelle Gestaltung von PV-Anlagen zum Beispiel mit Logo-Schriftzug oder Mustern kann man da- mit umsetzen.« Die MorphoColor®-Technologie ist vom gleich- namigen Schmetterling inspiriert. Die 3D-photoni- schen Strukturen auf den Schmetterlingsflügeln erlauben einen intensiven und winkelstabilen Farbeindruck durch einen grundsätzlich verlust- armen Interferenzeffekt. Nach diesem biologischen Vorbild ist es dem Forschungsteam gelungen, eine ähnliche Oberflächenstruktur durch einen Vakuumprozess auf die Rückseite des Deckglases von PV-Modulen aufzubringen. Mittlerweile ge- lingt den Forschenden dies auch auf Folie. 8 Sicher fliegen Sind Batterien in Personal Electronic Devices (PED) wie Laptops und Smartphones beschädigt oder über- hitzt, können sie in Flammen aufgehen oder sogar explodieren – ein hohes Sicherheitsrisiko, besonders im Flugzeug. Im Projekt LOKI-PED haben Fraunho- fer-Forschende gemeinsam mit Airbus erstmalig eine wissenschaftlich fundierte Risikobewertung durch- geführt, die den Einsatz von elektronischen Geräten im Flieger zukünftig sicherer machen soll. Mit Prüfständen wie dem Batterietestzentrum TEVLIB des Fraunhofer-Instituts für Kurzzeitdyna- mik, Ernst-Mach-Institut, EMI, einem A320-Mock-up für Kabinenfeuertests und dem Fluglabor des Fraun- hofer-Instituts für Bauphysik IBP untersuchte das Team die durch PED verursachten Konsequenzen von Rauch und Feuer. Die Experimente waren die Basis für numerische Simulationen und die anschließende Risikoanalyse. Die Tests umfassten unter anderem die Charakterisierung der Hauptgefahren, die von PED ausgehen, die experimentelle Charakterisierung von Verbrennungsgasen und die Beurteilung von Not- fallmaßnahmen. Das Projekt LOKI-PED wurde von der Europäischen Agentur für Flugsicherheit EASA gefördert, die die Ergebnisse der Studie auf ihrer Home- page veröffentlicht hat. Manchmal überhitzen sich Batterien bereits durch das Aufladen.

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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, Lisa Scherbaum, Kathrin Schwarze-Reiter, Iris Röll, Laura Rottensteiner-Wick, Mehmet Toprak, Yvonne Weiß, Ulla Wolfshöfer Layout + Litho: Vierthaler & Braun Titelbild und Fotografie der Titelstrecke: Jonas Ratermann/ Fotoassistenz: Carsten Bredhauer Fotografie »Humanoide Robotik«: Sven Döring Druck: Aumüller Druck GmbH & Co. KG © Fraunhofer-Gesellschaft e.V. München 2026 Fraunhofer in Social Media: https://bsky.app/profile/ fraunhofer.bsky.social www.instagram.com/ fraunhofergesellschaft www.linkedin.com/company/ fraunhofer-gesellschaft https://wisskomm.social/ @fraunhofergesellschaft https://www.threads.com/ @fraunhofergesellschaft https://x.com/fraunhofer www.youtube.com/ fraunhofer 3 | 26 Markantes Kennzeichen der Wildkatze: der buschige Schwanz mit zwei bis drei dunklen Ringen. Den Geheimnissen der Wildkatze auf der Spur Mithilfe einer neuen KI-basierten Software aus dem Fraunhofer IDMT sind Forschende des WWF den Jagdgewohnheiten der scheuen Wild- katze auf die Schliche gekommen. Bald sollen weitere Tiere folgen. G emeinsam mit dem World Wild- life Fund (WWF) hat das Fraun- hofer-Institut für Digitale Me- dientechnologie IDMT in Ilmenau die KI-basierte Software Trapscan entwickelt, mit der sich wiederkehrende Bewegungs- muster von Wildtieren an verschiedenen Kamerastandorten erkennen und mitein- ander verbinden lassen. Seit Januar 2026 ist Trapscan bereits in der Region Mittlere Elbe im Einsatz und soll dort zur Verbes- serung des Artenschutzes beitragen. Die Analyse erster Kameradaten ermöglich- te schon wichtige Erkenntnisse über das Jagdverhalten der Wildkatze, die in regel- mäßigen Abständen ihr Revier wechselt. Christian Weigel, Projektleiter am Fraunhofer IDMT: »Fotofallen lösen aus, wenn sie eine Bewegung registrieren. Das kann auch ein Grashalm sein, der sich im Wind bewegt. Da die meisten Fotofallen mehrere Monate in abgelegenen Gebieten hängen, nehmen sie so Tausende auszu- wertende Videos auf. Bislang mussten die Aufnahmen zeitaufwendig einzeln geprüft werden. Das übernimmt nun das KI-Tool. Trapscan filtert Tierbewegungen aus dem Material heraus.« Im zweiten Schritt werden die erfass- ten Tiere mithilfe eines Open-Source-KI- Modells der Universität Marburg nach Tier- arten klassifiziert. Die Ergebnisse werden anschließend zusammengefasst und in einer interaktiven Karte den verschiede- nen Kamerastandorten zugeordnet. Florian Kaduk vom WWF: »Trapscan liefert uns eine Fülle von genauen Daten, die wir ohne dieses KI-Tool gar nicht ver- arbeiten könnten. Dafür ist die Datenmen- ge der Wildkameras zu groß. Jetzt gewin- nen wir schneller neue Erkenntnisse. Wo lohnt es sich beispielsweise, einen Ver- bindungskorridor für die Wildkatze zu pflanzen? Welche Störfaktoren beeinflus- sen die Tiere am stärksten? In welche Ecken ziehen sie sich bei Hochwasser zu- rück? Oder wie entwickelt sich der Wald in der Wildnis?« zurück zu Seite 1 9 o t o h p k c o t s i i e d e b / k e c o r M j J , s u d n A o l i n a D , E S I r e f o h n u a r F / t s n r E o c r a M : s o t o F

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3 | 26 Zukunftsenergie Griff nach den Sternen Kernfusion funktioniert. Doch wie wird daraus ein Kraftwerk? Fraunhofer-Forschende arbeiten an den Bausteinen der Energie-Ära von morgen – und die Industrie profitiert schon heute davon. Von Beate Strobel; Fotograf: Jonas Ratermann Fotoassistenz: Carsten Bredhauer 10

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3 | 26 Ökonomie optimieren: Prof. Rüdiger Quay, Instituts- leiter am Fraunhofer IAF, will Fusionsprozesse marktfähig gestalten. zurück zu Seite 1 11

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3 | 26 D as Ganze, wusste schon Aris- toteles, kann mehr sein als die Summe seiner Teile. So ist es auch bei der Kernfusion: Zwei Atomkerne, die sich eigentlich ab- stoßen, werden durch extreme Hitze und Druck so zusammengezwungen, dass sie verschmelzen. Dabei wird ein Teil ihrer Masse in Energie umgewandelt. Und zwar in sehr viel: Entsprechend der von Albert Einstein entwickelten Formel E = mc² ent- steht aus einer winzigen Masse (m) eine enorme Energiemenge (E), da die Licht- geschwindigkeit im Quadrat (c2) eine gi- gantisch große Zahl ist. Aus nur einem Gramm Masse werden so mittels Kernfu- sion 90 Billionen Joule generiert. Das ent- spricht dem, was ein durchschnittlicher Haushalt in gut 7000 Jahren verbrauchen würde. Dass Kernfusion existiert, beweisen die Sterne seit Milliarden Jahren. In ihrem Inneren ist es mit etwa 15 Millionen Grad Celsius enorm heiß und es herrscht ein unglaublicher Druck: perfekte Umgebung für Fusion. Wasserstoffkerne bewegen sich darin mit so hoher Geschwindigkeit, dass sie immer wieder kollidieren und dabei unter Freisetzung von Energie zu Helium- kernen verschmelzen. Auf unserer Sonne werden 600 Millionen Tonnen Wasserstoff zu 595 Millionen Tonnen Helium verbrannt – pro Sekunde. Die Differenz ergibt jene Sonnenenergie, die unser Leben auf Erden erst möglich macht. Lässt sich dieser Prozess unter den Be- dingungen auf der Erde imitieren? Diese Idee fasziniert die Forschung seit gut 100 Jahren. Ein besonders vielversprechender Ansatz nutzt die Wasserstoffisotope Deu- terium und Tritium als Brennstoffe für die Kernfusion. In einem 150 Millionen Grad heißen Plasma – jenem vierten Aggregat- zustand, der im Universum am häufigsten vorkommt – könnten die Kerne der beiden Wasserstoff-Verwandten zu Helium ver- schmelzen und dabei Energie freisetzen. Das Plasma ist dabei Chance und He- rausforderung zugleich: Nur hier kann Fu- sion stattfinden. Doch wie lässt es sich in einem Fusionsreaktor stabil halten? Und wie kann man verhindern, dass das ext- rem heiße Plasma die Wände des Reaktors zum Schmelzen bringt? Die Forschung hat da zwei Ideen entwickelt. Bei der Magnet- fusion fixieren riesige Magneten das Plas- ma in Form eines im Raum stehenden Rings, sodass es nicht in Kontakt mit den Wänden kommt. Bei der laserinduzierten Trägheitsfusion hingegen erhitzen und verdichten intensive Laserpulse winzige Kapseln mit Deuterium und Tritium so stark, dass die Atomkerne verschmelzen. 41H 4He Pro Sekunde verwandelt die Sonne 600 Mio. t Wasser stoff in 595 Mio. t Helium. Die Differenz wird zu Energie. Während also die Magnetfusion darauf abzielt, ein Plasma über längere Zeit ein- zuschließen, schafft die Trägheitsfusion nur für einen Sekundenbruchteil die nö- tigen Fusionsbedingungen. Für beide An- sätze stellt sich aber die entscheidende Frage: Lässt sich damit mehr Energie ge- winnen, als der gesamte Prozess benötigt? Am 5. Dezember 2022 schossen die 192 Hochleistungslaser der National Ignition Facility (NIF) an der US-amerikanischen Forschungseinrichtung Lawrence Liver- more National Laboratory rund 2,05 Mega- joule Energie auf eine winzige Deuterium- Tritium-Kapsel. Die dadurch induzierte Fusion lieferte rund 3,15 Megajoule Ener- gie. Erstmals lösten Laserpulse in einem wissenschaftlichen Experiment eine so- genannte »Zündung« (englisch »Ignition«) aus: Die Fusion setzte genügend Energie frei, um den Brennstoff zusätzlich aufzu- heizen und kurzzeitig weitere Fusionsre- aktionen anzutreiben. Inzwischen erreich- te die NIF bei einzelnen Experimenten eine Leistungsvervielfältigung von mehr als Q 4. Bedeutet: Die Fusion setzte mehr als viermal so viel Energie frei, wie dem Brennstoff für den Fusionsprozess zuge- führt wurde. Zum Erfolg der ersten Kernfusions- zündung am NIF trug deutsche Hochtech- nologie bei: Die Freiburger Diamond Materials GmbH – ein Spin-off des Fraun- hofer-Instituts für Angewandte Festkör- perphysik IAF in Freiburg – fertigte die nahezu fehlerfreien Diamantkapseln, in denen der Fusionsbrennstoff eingeschlos- sen war. Die außergewöhnliche Material- qualität der sogenannten Targets galt als einer der entscheidenden Bausteine auf dem Weg zur historischen Zündung. Der NIF-Erfolg ist vergleichbar mit dem Moment, in dem erstmals nachgewiesen wurde, dass der Verbrennungsmotor prin- zipiell funktioniert, also mehr mechani- sche Energie liefert, als zum Start nötig ist. Bis die ersten serienreifen Autos auf den Straßen fuhren, vergingen allerdings noch viele Jahre. Ähnlich verhält es sich bei der Kernfusion: Das NIF-Experiment hat gezeigt, dass die Grundlagenphysik der Kernfusion funktioniert. Die nächste, noch größere Frage lautet nun: Wie lässt sich daraus ein Kraftwerk entwickeln, das ins- gesamt mehr Energie liefert, als es ver- braucht? 2025 präsentierte das Bundesministe- rium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) die Hightech Agenda Deutschland. In Kombination mit Sonne, Wind, Wasserstoff und Geothermie stellte sie darin die Kernfusion als Technologie mit hohem Potenzial für die künftige Ener- gieerzeugung vor. Ziel ist, Deutschland zu einem führenden Innovationsstandort für Fusionstechnologien zu machen. Dafür sollen bis 2029 mehr als zwei Milliarden Euro in die Fusionsforschung fließen. Drei Hubs bündeln die Forschung und Entwick- lung zur Laserfusion, Magnetfusion sowie zu den Querschnittsthemen Brennstoff- kreislauf und Materialentwicklung. »Mit den drei Fusionshubs verbinden wir unter- 12

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3 | 26 nehmerische Ambitionen und wissen- schaftliche Expertise«, erklärte Bundes- forschungsministerin Dorothee Bär. »Das erste Fusionskraftwerk soll in Deutschland stehen.« Target-Technologien – Suche nach der perfekten Kugel Fraunhofer-Forschende können alle drei Hubs auf dem Weg zum ersten Fu- sionsreaktor entscheidend unterstützen. »Technologien auch für hochkomplexe Prozesse so weiterzuentwickeln, dass sie nicht nur funktionieren, sondern auch ökonomisch sinnvoll sind: Das zählt zu den Kernkompetenzen von Fraunhofer«, erklärt Prof. Rüdiger Quay, Institutsleiter am Fraunhofer IAF. »Wir sind Enabler – auf der maschinellen wie auf der Prozess-, Software- und Charakterisierungsebene.« Tatsächlich holen aktuell Fraunhofer- Forschende die Vision in die Realität. Mit einem sehr konkreten Problem der Kern- fusion befasst sich etwa der »IFE Targetry Hub«. Das Fraunhofer IAF und das hessische Start-up Focused Energy leiten gemeinsam das 2024 gestartete Verbundprojekt. Insgesamt 15 Partner aus Forschung und Wirtschaft – darunter vier Fraunho- fer-Institute sowie die Fraunhofer-Aus- gründung Diamond Materials – entwickeln in acht Arbeitspaketen Materialien, Pro- zesse und Messmethoden, um Targets her- zustellen und zu charakterisieren. Diese winzigen Hohlkugeln werden bei der la- serinduzierten Trägheitsfusion mit Laser- pulsen so stark komprimiert, dass in ihrem Inneren die für die Kernfusion nötigen Dichten und Temperaturen entstehen. »Ein sphärisches Target besteht übli- cherweise aus einer dünnen Hülle etwa aus Diamant oder auch Kunststoff, gefüllt mit dem Fusionsbrennstoff, zumeist Deu- terium und Tritium«, erklärt der Physiker Dr. Jan Engels, wissenschaftlicher Mitar- beiter am Fraunhofer IAF. Dafür muss das Target eine möglichst makellose Kugelform mit gleichmäßiger Wanddicke und extrem glatter Oberfläche besitzen und symmet- risch nach innen komprimiert werden. Schon winzige Abweichungen können In- stabilitäten verursachen und die Fusion beeinträchtigen. »Diamond Materials ist in der Lage, solche perfekten Diamant- Hohlkugeln herzustellen«, erklärt Engels. »Für die Befüllung mit Brennstoff können wir am Fraunhofer IAF mittels UV-Piko- sekundenlasern inzwischen winzigste Ka- näle in Diamantsphären bohren. Je kleiner der Kanaldurchmesser, desto eher bleibt die Perfektion der Target-Geometrie er- halten.« Am Fraunhofer-Institut für Fer- tigungstechnik und Angewandte Mate- 2D + 3T 1 1 Während Deuterium ein stabiles Isotop ist und praktisch in jedem natürlichen Wasservorkommen steckt, ist Tritium radioaktiv und zerfällt mit einer Halbwertszeit von etwa zwölf Jahren. rialforschung IFAM wiederum wurde eine Methode entwickelt, um die Target- Oberfläche kostengünstig zu glätten und Oberflächenrauheit zu reduzieren. Und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat Photopolymere für das sogenann- te 2PP-Druckverfahren entwickelt, ein hochpräzises 3D-Druckverfahren für Mi- kro- und Nanostrukturen, um Kunststoff als Alternativmaterial für die Brennstoff- targets zu nutzen. Das gemeinsame Ziel von »IFE Targetry Hub« ist, die Herstellung der Targets so günstig wie möglich zu gestalten. »Die Kernfusion hat nur eine Marktchance, wenn sie ausreichend effizient ist«, betont Rüdiger Quay. »Im Moment kosten Einzel- targets in der Herstellung mehrere Tausend Euro. Ziel ist, pro Target in den Centbereich zu kommen.« Zur Halbzeit des Projekts war es Dia- mond Materials bereits gelungen, die Pro- duktion der Diamant-Hohlkugeln auf bis zu 5000 Stück pro Charge zu skalieren. Ein echter Meilenstein – einerseits. »Doch für ein Fusionskraftwerk brauchen wir rund eine Million solcher Kugeln pro Tag«, sagt Quay. Weitere Skalierungsprozesse stehen nun im Fokus der zweiten Projekthälfte, aber auch systematische Lasertests mit den hergestellten Targets. Viele Fragezeichen – und der Spaß an der Suche nach Antworten »An einem Thema zu forschen, das vor allem aus einer großen Vision und vielen Fragezeichen besteht, ist extrem reizvoll«, findet Jan Engels. Was es noch reizvoller macht: »Dass in den ersten Fusionsreak- tor nahezu alles einfließen wird, was je in der Physik und Ingenieurskunst erdacht und entwickelt wurde.« Bis so ein Reak- tor allerdings ans Netz gehen kann, sei noch »das eine oder andere Schmankerl zu lösen«, urteilt Rüdiger Quay. Etwa der sogenannte Tritiumzyklus als eines der zentralen Konzepte künftiger Fusions- kraftwerke: Wie lässt sich das für die Fu- sion benötigte Tritium erzeugen, nutzen, zurückgewinnen und erneut in den Pro- zess einspeisen? Während Deuterium ein stabiles Iso- top ist und praktisch in jedem natürlichen Wasservorkommen steckt, ist Tritium ra- dioaktiv und zerfällt mit einer Halbwerts- zeit von etwa zwölf Jahren. Deshalb gibt es auf der Erde nur verschwindend gerin- ge Mengen. Fusionsreaktoren müssen al- so das benötigte Tritium selbst erzeugen. Geplant ist, die Fusionskammer mit so- genannten Brut-Blankets zu umhüllen, die Lithium enthalten. Die bei der Kern- fusion entstehenden Neutronen sollen da- raus das Tritium erzeugen, das dann als Brennstoff verwendet wird. Das ist, als zurück zu Seite 1 13

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3 | 26 Effizienz erhöhen: Wie lässt sich der Fusionsbrenn- stoff bestmöglich verpacken? Daran forscht Dr. Jan Engels am Fraunhofer IAF. »An einem Thema zu forschen, das vor allem aus einer großen Vision und vielen Fragezeichen besteht, ist extrem reizvoll.« Dr. Jan Engels, Fraunhofer IAF 14

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3 | 26 würde ein Auto während der Fahrt den eigenen Treibstoff herstellen. Deshalb ist für den Betrieb eines Reaktors kein Trans- port radioaktiver Brennstoffe außerhalb des Kraftwerkgeländes nötig – ein entschei- dender Vorteil der Fusion. Was außerdem aus Sicht von Jan Engels für diese Form der Energiegewinnung spricht: »Für ein Fusionskraftwerk kann man Brennstoffe verwenden, die auf der Erde noch in Tau- senden von Jahren reichlich verfügbar sein werden.« Der Brutzyklus von Tritium sei allerdings bislang noch nicht in größerem Maßstab umgesetzt worden, gibt er zu be- denken. »Da sind noch viele Fragen offen. Etwa ob Lithium im Brut-Blanket in festem oder flüssigem Zustand vorliegen soll. Oder wie das erzeugte Tritium für die Fusion gereinigt und aufbereitet werden kann.« Nach Antworten suchen Forschende am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden. Mit dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik IPP entwickeln sie in dem Projekt Tritium- Stopp dünne Barriereschichten, die eine Flucht des wertvollen Isotops in das Wand- material verhindern und damit Verluste innerhalb des Tritiumzyklus minimieren. Untersucht werden aktuell verschiedene Schichttypen, etwa Metallnitride, Oxide und diamantartige Kohlenstoffe. Dafür greift das Fraunhofer IWS auf Schicht- technologien zurück, die sich bereits in industriellen Hochleistungsanwendungen bewährt haben, beispielsweise als Ver- schleißschutz auf stark beanspruchten Werkzeugen. Plasmanahe Strukturen wie das Brut-Blanket sind aber auch generell innerhalb des Fusionsreaktors extremen Belastungen ausgesetzt: starke Hitze, in- tensive Neutronenstrahlung sowie höchst ungleichmäßige Beanspruchung. All das lässt Materialien schnell ermüden, führt zu Versprödung oder provoziert Risse. Wie sich dies auf das Geschehen im Fusions- reaktor auswirkt, kann die Forschung mo- mentan nur erahnen. Es gilt also, Werkstoffe zu finden, die diesen extremen Bedingungen standhalten – und sich so verarbeiten lassen, wie es die geometrisch hochkomplexen Bauteile eines Reaktors mit ihren vielen Funktions- und Kühlstrukturen erfordern. Hier setzt das Projekt AM-SHIELD unter der Leitung des Fraunhofer IWS an. Gemeinsam mit Part- nern aus Wissenschaft und Wirtschaft – darunter auch ALOtec Dresden, eine Aus- gründung des Fraunhofer IWS – prüft das Institut die Belastbarkeit unterschiedlicher Werkstoffe. Parallel untersucht das Team, wie sich komplexe und großvolumige Strukturbauteile aus Eurofer97 fertigen lassen. Dieser Stahl gilt als »Arbeitspferd« der europäischen Fusionsforschung. Der eigens hierfür entwickelte Stahl widersteht hohen Temperaturen und in- tensivem Neutronenbeschuss. Dabei ent- stehen weniger langlebige radioaktive Iso- tope als in herkömmlichen Reaktorstählen. Parallel entwickelt und bewertet das Pro- jektteam weitere strahlungsbeständige Werkstoffe. »Aktuell toleriert man in der Fertigung solcher Großkomponenten Verschnitte von bis zu 90 Prozent«, erklärt Moritz Greifzu, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraun- hofer IWS. »Das muss deutlich material- effizienter und dadurch günstiger werden – solche Spezialwerkstoffe sind extrem teuer. Wir arbeiten an einem hybriden Her- stellungsansatz, also einer Kombination aus additiver und subtraktiver Fertigung, um die Gestaltungsfreiheit des 3D-Drucks mit der Präzision von Fräs- und Schleif- verfahren zu verbinden.« Als Schnittstel- le zwischen Materialentwicklung und Pro- duktionstechnologien sei das Fraunhofer IWS bestens aufgestellt, um solche Lösun- gen voranzutreiben. Target Tracking: Auf den Mikrometer genau zielen Physiker Dr. Alexander Bertz ist Gruppen- leiter Geometrische Inline-Messsysteme am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM. Kein Titel, der nach Kernfusion klingt. »Messtechnik ist nicht wirklich sexy«, scherzt Bertz. »Aber wir sind überall mit dabei – und meist unver- zichtbar.« Etwa wenn es darum geht, die stecknadelkopfgroßen Targets mit hoher Wiederholungsrate und größtmöglicher Genauigkeit zu beschießen. Beim NIF- Experiment zielten die Laser auf eine einzige und exakt positionierte Brenn- stoffkapsel. Für einen Kraftwerksbetrieb müssten etwa zehn Brennstoffkapseln pro Sekunde mit hoher Geschwindigkeit in den Reaktor geschossen und zum rich- tigen Zeitpunkt von Lasern getroffen wer- den. Bertz: »Wird das Ziel nur um wenige Mikrometer verfehlt, zündet die Fusion nicht und das Gas verpufft.« Im Projekt »Star Track« hat das Team um Alexander Bertz ein Verfahren entwi- ckelt, mit dem sich die Flugbahn von sehr kleinen und sich extrem schnell bewegen- den Objekten mikrometergenau in Echt- zeit bestimmen lässt. »Aufgesetzt haben wir dabei auf etwas, das sich chromatisch- konfokale Messtechnik nennt«, erklärt Bertz. »Dabei wird eine Weißlichtquelle durch eine chromatisch-aberrative Optik geschickt und so eine Art Regenbogen er- zeugt. Anhand der Farbe, die reflektiert und von einem Sensor erfasst wird, lässt sich die Position eines Kügelchens sehr ge- nau identifizieren, das diesen Regenbogen durchfliegt.« In einer Weiterentwicklung dieser Technologie will Bertz die digitale Holo- graphie involvieren – ein Verfahren, mit dem die vollständige Information eines Lichtfelds digital aufgezeichnet und via Computer rekonstruiert werden kann, um ein Objekt auch dreidimensional darzu- stellen und zu vermessen. »So lässt sich nicht nur die Position eines Brennstoff- Targets bestimmen, sondern auch dessen Orientierung, also dessen Drehung. Dann kann die Polarisation des Lasers so ein- gestellt werden, dass tatsächlich eine Zün- dung stattfindet und nicht bloß eine Ver- puffung.« Beteiligt an »Star Track« war auch das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, dessen Exper- tise unter anderem darin liegt, Projektile auf extrem hohe Geschwindigkeiten zu beschleunigen. »Die Brennstoff-Targets müssen für einen funktionierenden Kraft- werksbetrieb den Beschleunigungsvorgang unbeschadet überstehen«, erklärt Dr. Pas- cal Matura, Abteilungsleiter am Fraun hofer EMI. Dazu haben Forschende am Institut zurück zu Seite 1 15

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»Messtechnik ist überall mit dabei – und meist unverzichtbar.« Dr. Alexander Bertz, Fraunhofer IPM 3 | 26 Diamanthohlkugeln des Unternehmens Diamond Materials mit einem ihrer Labor- beschleuniger auf eine Geschwindigkeit von mehr als 200 Meter pro Sekunde ge- bracht und im Freiflug hochauflösend mit spezieller Messtechnik fotografiert. Bis zu einem funktionierenden Kraft- werk ist allerdings noch ein gewisser Weg zu gehen. Auf ebendiesem befindet sich das – im wahrsten Wortsinn – Großprojekt ITER (International Thermonuclear Expe- rimental Reactor), an dem das Team um Matura ebenfalls beteiligt ist. Die For- schungsanlage, die aktuell am südfranzö- sischen Entwicklungszentrum für Kern- energie Cadarache entsteht, wird bei Fertigstellung in etwa so hoch sein wie ein In einem Reaktor soll Wasserstoff- plasma auf rund 150 Mio. °C erhitzt werden. 25-stöckiges Gebäude und die weltweit größte Forschungsanlage für Magnetfu- sion beherbergen. 35 Nationen entwickeln hier gemeinsam so etwas wie einen künst- lichen Stern: In einem Reaktor soll Was- serstoffplasma auf rund 150 Millionen Grad Celsius erhitzt und durch gewaltige Mag- netfelder zu einem Donut-artigen Gebilde mit einem Radius von gut sechs Metern und einem Volumen von 840 Kubikmetern geformt werden. In dieser Größenordnung ist das Plasma nur schwer langfristig zu kontrollieren. »Instabilitäten des Plasmas können zu sogenannten Plasmadisruptio- nen führen und dabei sehr viel Energie freisetzen sowie Komponenten im Inneren der Anlage schädigen«, erklärt Physiker Matura. Um den Auswirkungen solcher Plasmainstabilitäten etwas entgegenzu- setzen, soll in ITER ein Schutzsystem ein- gebaut werden: Über das »Disruption Mi- tigation System« (DMS) werden binnen Millisekunden große Mengen von gefro- renem Wasserstoff oder Neon in das Plas- ma eingeschossen. »Dadurch wird das Plas- ma etwas abgekühlt, die Dichte erhöht und seine Energie verringert.« Der Clou dabei: Der gefrorene Stoff in Form eines Zylinders – etwas größer als der Korken in einer Weinflasche – wird nicht direkt in das Plasma geschossen, son- dern prallt zunächst auf eine leicht schräg stehende Platte. Dort zerbirst das Pellet und wird als Fragmentschauer in das Plasma eingeleitet. Da die Effektivität des DMS von der Größe, Geschwindigkeit und Vertei- lung der Fragmente abhängt, haben die Forschenden am Fraunhofer EMI nume- rische Modelle und Computercodes zur Simulation und Analyse des Fragmentie- rungsprozesses entwickelt und mit expe- rimentellen Ergebnissen des Max-Planck- Instituts für Plasmaphysik in Garching abgeglichen. Ziel des Projekts, das in die- sem Jahr endet, ist eine Optimierung des Fragmentierungsprozesses: Was sind die idealen Beschuss- und Aufprallbedingun- gen, um die gewünschten Fragmentie- rungseigenschaften zu bekommen? Oder einfacher formuliert: Die Forschenden am Fraunhofer EMI wollen herausfinden, wie man am geschicktesten das Eis bricht. Im Strahlengang: Präzisions- optiken auf ein neues Level heben Während bei der Magnetfusion starke Ma- gnetfelder das Plasma kontrollieren, muss bei der Trägheitsfusion die Laserenergie möglichst präzise geformt, gelenkt und fokussiert werden. Und das in einem Aus- maß, als wollte man mit mehreren Pfeilen gleichzeitig aus mehreren hundert Kilo- metern Entfernung dieselbe Stecknadel treffen. Diese Präzisionsaufgabe überneh- men riesige Spiegel, Linsen und Kristal- le entlang des gesamten Strahlengangs. »Ohne optische Funktionalisierung, oh- ne optische Schicht geht da gar nichts«, betont Dr. Astrid Bingel. Die Physikerin entwickelt am Fraunhofer-Institut für 16

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3 | 26 Punktgenau treffen: Dr. Alexander Bertz (l.) vom Fraunhofer IPM und Dr. Pascal Matura vom Fraunhofer EMI arbeiten an neuen Messmethoden für blitzschnelle Targets. zurück zu Seite 1 17

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3 | 26 Mehr möglich machen: Dr. Astrid Bingel und Dr. Thomas Gischkat bringen am Fraunhofer IOF optische Schlüsselkompo- nenten für die Laserfusion auf Hochleistungs-Level. »Ohne optische Funktionalisierung, ohne optische Schicht geht da gar nichts.« Dr. Astrid Bingel, Fraunhofer IOF 18

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1 | 26 3 | 26 Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena technische Innovationen für die Kernfusion, passt bestehende Optiken und Technologien an die Anforderungen der Kernfusion an und sucht nach Wegen, auf denen sich gefundene Lösungen auf industriellen Maßstab skalieren lassen. »Letzteres ist fast die größte Heraus- forderung«, urteilt Bingels Kollege Dr. Tho- mas Gischkat: »Viele der neuen optischen Komponenten funktionieren bereits im Labor. Aber damit sich die Kernfusion als saubere Energiequelle am Markt etablie- ren kann, muss sie sich zu einem High- End-Massenprodukt entwickeln.« High- End-Technologie zu entwickeln, ist schon extrem anspruchsvoll. Und dann auch noch zu ökonomisch vertretbaren Preisen? Ge- nau das wird entscheidend sein, um Kern- fusion zur Energie der Zukunft zu machen. Schließlich sind in einem Fusionsreaktor mehrere tausend optische Komponenten verbaut, deren Herstellung aber in der Sum- me finanzierbar bleiben soll. Eine Heraus- forderung, die den Forschenden am Fraun- hofer IOF bereits von Smartphones und ähnlichen Konsumentenprodukten be- kannt sei, ergänzt Astrid Bingel und lacht: »Auch da soll etwa die Beschichtung der Optiken bestmöglich sein – und zugleich möglichst günstig.« Die optischen Teile sind, so Bingel, der begrenzende Faktor im Kraftwerk. Diese Grenzen zu erweitern, ist Ziel des Verbund- projekts PriFUSIO: Ein Konsortium aus sie- ben Industriepartnern und drei Forschungs- instituten (darunter die Fraun hofer-Institute IOF und ILT) will photonische Schlüssel- komponenten für die laserbasierte Fusion erforschen und industriell nutzbar machen. Die Arbeit für die Forschenden am Fraun- hofer IOF setzt dabei ganz vorne an: an der Laserquelle, also dort, wo das Licht erzeugt wird. »Hier muss es bereits gebeugt wer- den«, erklärt Thomas Gischkat: Durch so- genannte Beugungsgitter kann das Licht nach der Wellenlänge aufgetrennt, die ge- wünschte Wellenlänge ausgewählt und sehr präzise gesteuert werden. »Am Fraunhofer IOF dürfen wir uns rühmen, dass wir die besten und effizien- testen Gitter haben«, betont Gischkat. »Doch selbst deren Strukturen leiden bei der Verwendung von Laserlicht. Im Projekt PriFUSIO wollen wir herausfinden, wie sich die Laserstabilität durch passende De- signs erhöhen ließe.« Zur Extra-Challenge wird dieses Vorhaben durch die Anforde- rung, dass die Gitter nicht nur einen klei- »Optische Kompo- nenten müssen sich zu High-End- Massenprodukten entwickeln.« Dr. Thomas Gischkat, Fraunhofer IOF nen Wellenlängenbereich durchlassen dürfen, sondern möglichst breitbandig sein müssen, denn: »Das Laserlicht wird sehr stark komprimiert und hat dadurch viele Wellenlängenanteile.« Im Projekt FusioTile, gestartet 2025, werden sogenannte Puls-Kompressions- gitter (PCGs) entwickelt, die den Laser- strahl erst »strecken« und dann wieder stark zusammendrücken. Dadurch ent- stehen sehr kurze, aber extrem energie- geladene Lichtpulse. Ziel ist zudem, diese Gitter im Meterbereich zu gestalten, ohne dass Präzision verloren geht, und dafür entsprechende Fertigungsverfahren zu entwickeln. Im Projekt SHARP wiederum, koordi- niert von der Schott AG, entwickeln For- schende am Fraunhofer IOF sowie dem Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS seit 2025 Hochleistungsspiegel für Fusionskraftwer- ke. Diese sollen nicht nur möglichst wenig Laserlicht absorbieren, sondern auch lang- fristig sehr hohen Temperaturen stand- halten. Dafür müssen Kühlstrukturen in die Glassubstrate integriert und thermo- mechanische Effekte in die Schichtent- wicklung einbezogen werden. »Üblicher- weise würde man mit Kältefallen an der Rückseite arbeiten – etwa einer Metall- schicht, die thermische Energie abführt«, erläutert Physiker Gischkat. »Doch Metal- le kann man oft nicht gut bearbeiten. Wir wollen auf eine von Zeiss entwickelte Tech- nologie aufsetzen und Kühlkanäle schon während der Herstellung ins Glas ›hinein- schreiben‹.« Der Vorteil: »Der Spiegel ist dann monolithisch, also ein kompakter Körper – so existiert keine Sollbruchstel- le, die kaputtgehen könnte. Würde man die Kühlkanäle nachträglich einätzen, müsste man diese mit einer Art sehr dün- nem Deckel abdichten, der abspringen könnte unter Belastung.« Während es bei SHARP um Spiegel geht, befasst sich das Projekt NanoAR mit dem gegenteiligen Prinzip: der Entspiege- lung von Oberflächen. »Spiegel sind ja im Prinzip strahlformende Komponenten, man möchte hier eine möglichst hohe Re- flexion«, erklärt Astrid Bingel. »Bei trans- parenten Optiken hingegen will man jeg- liche Reflexion an den Grenzflächen vermeiden, da der Laserstrahl möglichst verlustfrei hindurchgehen soll.« Selbst wenn an einer Grenzfläche nur wenige Prozent reflektiert werden, multipliziere sich das deutlich bei mehr als 100 Kom- ponenten im Strahlengang. »Bei NanoAR wollen wir keine Anti- Reflex-Beschichtungen nutzen, sondern sogenannte Metaoberflächen oder nano- strukturierte oberflächeneffektive Medi- en«, erläutert Bingel. Dafür haben sich die Forschenden von der Natur inspirieren lassen: »Mottenaugen reflektieren nahezu kein Licht. So können Motten nachts se- hen, ohne dass ihr Auge Licht zurückwirft und Räuber aufmerksam werden.« Unter dem Mikroskop betrachtet, ist die Ober- f läche von Mottenaugen nicht glatt, sondern mit Millionen Erhebungen im Nanometerbereich bedeckt. Während der Lichtbrechungsindex sich bei einer nor- malen Glasfläche abrupt beim Übergang von Luft zu Glas ändert, ermöglichen die- se Strukturen einen sanften Übergang des Brechungsindex zwischen Luft und Auge: Das Licht dringt nahezu verlustfrei ein. Am Fraunhofer IOF wird eine Nano- struktur auf das Glas gesetzt mit dem in- tern erdachten Verfahren AR-plas2. Die zurück zu Seite 1 19

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3 | 26 Methode ist eine Kombination aus Be- schichtung und Nanostrukturierung: Nicht die Linse selbst wird strukturiert, sondern deren hauchdünne Beschichtung auf Ba- sis von Siliciumdioxid oder Calciumfluo- rid. Das Ergebnis sind sehr klare und kon- trastreiche Hochleistungsoptiken mit einer Entspiegelung, die selbst bei schrägem Lichteinfall noch wirkt. »Das Projekt NanoAR endet 2027, aber in seinem Verlauf ergeben sich immer wie- der neue Herausforderungen«, betont Bin- gel. »Da liegt noch viel Arbeit vor uns, bis wir das letztmögliche Millionstel heraus- gekitzelt haben.« Denn immer wieder sto- ßen die Forschenden auf ein Henne-Ei-Pro- blem: »Auf wissenschaftlicher Seite entwickeln wir am Fraunhofer IOF bei- spielsweise optische Komponenten, für die wir von denen, die die Fusionslinien auf- bauen, Spezifikationen einfordern«, erklärt Astrid Bingel. »Wir fragen dort also nach: Was braucht ihr, wie groß müssen die Op- tiken sein, wie stark gekrümmt werden sie sein, was müssen sie leisten?« Doch die optischen Designs für das Fusionskraft- werk liegen zum Teil noch nicht final vor. Bingel: »Wir haben also aktuell zwei par- allele Entwicklungen: Seitens der Kraft- werkgestaltung heißt es, dass die Optik dieses oder jenes Ziel erreichen muss. Die Forschenden im Bereich Optik wiederum sagen: Wir können dieses und jenes – de- signt entsprechend euer Fusionskraftwerk. Diese beiden Stränge pushen sich jetzt ge- genseitig.« Lebensdauer verlängern: Schon jetzt an Reparaturen denken Manche Fraunhofer-Forschende denken sogar bereits über den Start des ersten Fu- sionsreaktors hinaus. Thomas Derra vom Fraunhofer-Institut für Produktionstech- nologie IPT etwa befasst sich im Projekt ISEGRIM schon heute damit, wie sich De- fekte im Inneren eines Fusionsreaktors nach dessen Inbetriebnahme möglichst schnell und kostengünstig reparieren las- sen. »Diese Technologie kann nur dann wirtschaftlich gestaltet werden, wenn man Wartungs- und Reparaturkonzepte von Beginn an mitentwickelt«, erklärt der Ingenieur. »Die dafür nötigen Vorrichtun- gen können ja nicht einfach nachträglich in das komplexe Reaktorsystem integriert werden.« ISEGRIM fokussiert darauf, überbe- anspruchte Bauteile in Reaktoren zu re- parieren, statt sie auszutauschen – idea- lerweise, ohne dafür den Betriebszustand vollständig herunterfahren zu müssen. Dieses Vorgehen soll Kosten sparen und die Lebensdauer von Fusionsreaktoren verlängern. »Wir entwickeln dafür das in- dustriell bereits bewährte Laser-Auftrags- schweißen mit Draht weiter«, erklärt Der- ra: Per Laser wird ein Wolframdraht erst geschmolzen und dann gezielt auf die be- schädigte Stelle aufgetragen, sodass eine neue, feste Schicht entsteht. Wolfram ist allerdings ein kritischer Werkstoff: Seine hohe Widerstandsfähig- keit macht ihn attraktiv für die Fertigung von Reaktorbauteilen, aber zum Problem- fall für das Laser-Auftragsschweißen. »Wolfram hat nicht nur den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle, sondern ist bei niedrigen Temperaturen auch ein eher sprödes Material, mit dem sich nur schwer gleichmäßige und rissfreie Schweißschich- ten erstellen lassen«, erklärt Derra. Deshalb versuchen die Forschenden am Fraunho- fer IPT, speziell auf die Eigenschaften von Wolfram abgestimmte Laser- und Anla- gentechniken zu entwickeln. Weil Wolfram im erhitzten Zustand Sauerstoff anzieht, werden zusätzlich Ver- suche im Vakuum durchgeführt – etwas, das späteren Reaktorreparaturen entgegen- kommt, da praktisch alle Konzepte für Fu- sionsreaktoren vorsehen, dass der Betrieb im Hochvakuum stattfindet. Derra: »Wir müssten bei Reparaturbedarf nicht warten, bis der Reaktor vollständig abgeschaltet, belüftet und abgekühlt ist, um Module im Inneren wieder instand zu setzen. Solche erzwungenen Stilllegungszeiten würden die Wirtschaftlichkeit eines Reaktors dras- tisch senken.« Was Thomas Derra besonders freut: »Bei ISEGRIM haben wir Unternehmen mit an Bord, die mit dem Thema Kernfu- sion bislang noch gar nichts zu tun hatten«, erzählt er. »Die haben nun aber richtig Feu- er gefangen und finden sich immer mehr in die Thematik ein.« Gemeinsam habe man durch das Projekt beispielsweise viel über den Werkstoff Wolfram gelernt und dessen Einsatz in Additivprozessen. Dass sich über die Projektzusammenarbeit vie- le kluge Köpfe aus unterschiedlichen Bran- chen mit solchen Forschungsfragen be- fassen, sieht er als große Chance – für die Realisierung der Kernfusion, aber auch für den Technologiestandort Deutschland. Neue Chancen für viele Industrien und Unternehmen Den Appetit auf Kernfusion wecken, Sy- nergieeffekte finden und die Vision einer sauberen, sicheren und grundlastfähigen Energiequelle interdisziplinär verfolgen: Das sieht das 2025 vom Fraunhofer IWS und dem Helmholtz-Zentrum Dresden- Rossendorf (HZDR) gegründete Kom- petenzwerk SAXFUSION als seine vor- dringlichste Aufgabe an. Das sächsische Netzwerk ist zentrale Anlaufstelle für interessierte Unternehmen und Einrich- tungen aus der Forschung, Industrie und Gesellschaft. »Unser Ziel ist, Menschen und Unternehmen aus den unterschied- lichsten Branchen mitzunehmen auf die Reise Richtung Fusionskraftwerk«, erläu- tert Anne-Katrin Leopold, Werkstoffwis- senschaftlerin am Fraunhofer IWS und Koordinatorin von SAXFUSION. »Bislang wurde das Thema Kernfusion ja eher sei- tens der Physik bespielt. Seit der Kraft- werksbau in den Fokus gerückt ist, kom- men nach und nach Ingenieure hinzu. Doch es braucht noch mehr Expertisen, etwa hinsichtlich Energienetz oder Lie- ferketten. Viele Industriebranchen sehen noch nicht, welche ökonomischen Chan- cen in der Kernfusion liegen.« »Durch das Netzwerk ist sichtbar ge- worden, wie viel Kompetenz zu diesem Thema bereits in der Region Sachsen vor- handen ist«, ergänzt Leopolds Kollege Mo- ritz Greifzu. Mit einer Rate von bis zu einer Billion Neutronen pro Sekunde beherbergt das HZDR beispielsweise einen der leis- tungsstärksten beschleunigerbasierten 20

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3 | 26 Weiter denken: Thomas Derra vom Fraunhofer IPT entwickelt Reparaturoptionen für künftige Fusionsreaktoren – und neue Lösungen für die Verarbeitung von Wolfram. »Wir müssten bei Reparaturbedarf nicht warten, bis der Reaktor abgeschaltet und abgekühlt ist, um Module im Inneren wieder instand zu setzen.« Thomas Derra, Fraunhofer IPT zurück zu Seite 1 21

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3 | 26 Neutronengeneratoren Europas. Zugleich verfügt Sachsen über eine starke Automo- bilzulieferindustrie, die neue Geschäfts- felder erschließen will. »Mit SAXFUSION schlagen wir die Brücke zwischen Wissen- schaft und Wirtschaft«, betont Dr. Jens Möller, Leiter Forschungsmanagement am Fraunhofer IWS und Mitinitiator von SAX- FUSION. »In diesem Feld entstehen neue Wertschöpfungsketten und Märkte, die gerade kleinen und mittelständischen Un- ternehmen spannende Perspektiven er- öffnen.« SAXFUSION läuft noch bis Ende 2027. Anne-Katrin Leopold: »Bis dahin wollen wir die Kernfusion als Thema in der Forschungs- und Industrielandschaft so sicher verankert bekommen, dass diese Netzwerkstrukturen sich verstetigen.« Der Strombedarf wird bis Mitte des Jahrhunderts weltweit um ein 2,5-Faches steigen. Laut Prognosen der Internationalen Energieagentur IEA wird der Strombedarf bis Mitte des Jahrhunderts weltweit um ein 2,5-Faches auf 70 Petawattstunden (PWh) pro Jahr steigen. Um ein Zehntel davon zu decken, bräuchte es fast 1000 Fusionskraft- werke. In den vergangenen 50 Jahren hat sich die Leistung von Fusionsanlagen um das 100 000-Fache gesteigert, mehr als 2000 Patente weltweit sind in den vergangenen zwei Jahrzehnten im Zusammenhang mit der Kernfusionstechnologie beantragt wor- den. Doch noch steht es in den Sternen, wann das erste Kernfusions-Kilowatt tat- sächlich ins Energienetz eingespeist werden kann. Ist es trotzdem gerechtfertigt, in wirt- schaftlich schwierigen Zeiten die Forschung hier mit vielen Milliarden Euro zu befeuern? Dr. Alexander Bertz vom Fraunhofer IPM findet: Auf jeden Fall – weil viele Lö- sungen, die in den Fraunhofer-Instituten für die Energiequelle von morgen entwi- ckelt werden, auch industrielle Heraus- forderungen von heute adressieren. »Die Messtechnik, die wir fürs Target-Tracking entwickeln, ist beispielsweise superspan- nend für die Robotik«, erklärt Bertz. »Da- mit lässt sich die Genauigkeit, mit der ein Industrieroboter seine Werkzeugspitze einsetzt, in den Submikrometerbereich erweitern. Tatsächlich sind wir bereits im Gespräch mit möglichen Industriepart- nern.« Die Fragmentierungsprozesse, die sein Forschungskollege Dr. Pascal Matura vom Fraunhofer EMI untersucht, sind ebenso für militärische Anwendungen in- teressant wie für die Raumfahrt: »Im All können Mikrometeoriten oder Weltraum- schrott mit extrem hohen Geschwindig- keiten auf Satelliten treffen. Die mit ITER entwickelten Methoden sollen helfen, Kaskadeneffekte bei der Fragmentierung besser zu verstehen und entsprechende Schutzkonzepte zu erstellen.« Und die Innovationen, die Fraunhofer- Forschende für optische Schlüsselkompo- nenten entlang des Strahlengangs entwi- ckeln? »Die Technologien, die in Projekten wie NanoAR entstehen, sind anschluss- fähig für jegliche industrielle Anwendung von Hochleistungsoptiken«, urteilt Astrid Bingel. »Sobald man mit klassischen Schichtsystemen nicht mehr weiterkommt, werden Nanostrukturen interessant.« Vor allem der Maschinenbau könne von der Fusionsforschung profitieren, findet Jens Möller vom Fraunhofer IWS – egal, ob es um neue beziehungsweise weiterentwi- ckelte Produktionstechnologien geht oder um Werkstoff-Innovationen etwa im Be- reich Stahl. An einer technologischen Vision zu arbeiten und zugleich die Wirtschaft im Hier und Jetzt zu unterstützen – dieser Ansatz hat aus Sicht von Alexander Bertz und Pascal Matura großen Charme: »Mit der Fusionsforschung gestalten wir Gegen- wart und Zukunft gleichermaßen.« Vor allem aber sei die Realisierung der Kern- fusion endlich wieder ein gemeinsames globales Ziel, findet Anne-Katrin Leopold vom Fraunhofer IWS – »jene positive Zu- kunftsvision, nach der sich viele Menschen sehnen«. 22

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1 | 26 3 | 26 »Wir wollen Unternehmen mitnehmen auf die Reise Richtung Fusionskraftwerk.« Anne-Katrin Leopold, Fraunhofer IWS Perspektiven öffnen: Die Fusion als Thema in der Wirtschaft verankern – das ist das Ziel von Anne-Katrin Leopold und Moritz Greifzu am Fraunhofer IWS. zurück zu Seite 1 23

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3 | 26 Gründen mit Fraunhofer Mit EDENenergy ins zweite Leben Von Beate Strobel Mehr rausholen: Ein Fraunhofer-Start- up nutzt Akkus aus der Mikromobilität als Industriespeicher. D ie elektrische Version des Tret- rollers hat Fahrt aufgenommen – und das nicht nur in Groß- städten. Mehr als 1,4 Millionen E-Scooter stehen inzwischen in Privat- haushalten. 2023 wurden in Deutschland erstmals mehr E-Bikes als muskelbetrie- bene »Bio-Bikes« verkauft. Die benötigte Energie wird in der Regel in Lithium-Ionen-Akkus transportiert. Die aber enthalten kritische Rohstoffe, oft ab- gebaut unter bedenklichen Bedingungen, und müssen schon nach 800 bis 1500 Lade- zyklen ausgetauscht werden. Technisch gilt eine Batterie als »erschöpft«, wenn sie nur noch 70 bis 80 Prozent ihrer ursprünglich Kapazität speichern kann. Das Freiburger Cleantech-Start-up EDENenergy will ein zweites Leben für die Millionen Mikromo- bilitäts-Akkus – als Industriespeicher. »Dass die Batterien irgendwann im Recycling- prozess landen, steht fest«, erklärt CEO Flo- rian Bierwirth: »Wir versuchen aber, aus der Zeit bis dahin das Maximale herauszu- holen. Jeder Akku, der sein tatsächliches Lebensende erreicht, ist für uns ein Erfolg, weil wir es geschafft haben, die eingesetz- ten Ressourcen bestmöglich zu nutzen.« Der schnelle Sprung vom Masterstudenten zum CEO Gestartet ist EDENenergy als Projekt am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesys- teme ISE; Florian Bierwirth schrieb dort seine Masterarbeit zum Thema Batteriesi- cherheit. »Doch dann ist der damalige Pro- jektleiter ins Ausland gezogen, und unser Forschungsvorhaben drohte einzuschla- fen – es sei denn, ich übernehme«, erzählt der Elektroingenieur. »Anfangs kam mir das vermessen vor: ein Masterstudent, der seinen Berufseinstieg als Geschäftsführer macht. Doch es war genau die richtige Ent- scheidung.« Noch macht das Start-up kei- nen Gewinn, das inzwischen sechsköpfige Team finanziert die Gehälter momentan teilweise über das EXIST-Gründungssti- pendium. Bierwirth: »Als junge Ex-Stu- denten sind wir geübt darin, mit wenig Geld zurechtzukommen.« Mit dem EDENstorage ONE hat das Start- up den ersten auf Mikromobilitäts-Akkus basierenden »Second Life«-Batteriespeicher entwickelt. Der Clou dabei: Durch eine spe- zielle Leistungselektronik kann jeder der verwendeten Akkus individuell geladen und entladen werden. »Herkömmliche Bat- teriespeicher funktionieren nach dem Prin- zip einer Wandergruppe: Das Teamtempo wird bestimmt durch das langsamste Mit- glied«, erklärt Florian Bierwirth. Übertragen auf Speicher, bei denen die Akkus in Serie geschaltet sind, bedeutet das: Ist auch nur ein Modul zu alt, sinkt die gesamte Spei- cherleistung. Bei der Lösung von EDEN- energy hingegen werden die Akkus einzeln angesteuert. »So können wir beispielswei- se eine Batterie zu 100 Prozent laden und 24

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3 | 26 Mit der Gründung als GmbH Mitte 2026 ist der Abnabelungsprozess des Start-ups vom Fraunhofer ISE offiziell vollzogen. »Wir sind nun Untermieter, was den Vor- teil hat, dass sich für uns von den Räum- lichkeiten und der Infrastruktur nichts geändert hat«, so Bierwirth. Auch die Fi- nanzierung über AHEAD, ein dreiphasiges Programm von Fraunhofer Venture, ist ausgelaufen. »Das Gehäuse unseres ersten Speichers wird gerade in Rumänien fertig- gestellt, die Leistungselektronik liegt be- reits vor«, freut sich der CEO. »Wir stehen also kurz davor, unseren ersten Industrie- speicher beim Kunden zu installieren.« Fokus auf die schnellste Lösung Sich nicht technisch zu verkünsteln bei der Suche nach der perfekten Lösung, sondern lieber schnell auf den Markt zu kommen, um die Nische zu besetzen: Das zählt zu den Gründungstipps, die sich das EDEN- energy-Team zu Herzen genommen hat. Ein anderes wichtiges Learning, so Bier- wirth: Ohne Netzwerk geht gar nichts. »Vie- le Fachkräfte in der Wirtschaft haben eine Fraunhofer-Vergangenheit, an die man an- knüpfen kann.« Hinzu komme, dass der Name der Forschungsorganisation sowohl bei Investoren als auch bei Kunden eine »Abkürzung im Vertrauensprozess« dar- stellt und damit ein echter Türöffner sei. Das Wichtigste aber, was Florian Bier- wirth weitergeben möchte an potenzielle Gründerinnen und Gründer: Die wirt- schaftliche Krisenzeit aktuell ist ein guter Nährboden für Entrepreneure. Und das nicht nur, weil der Sprung von der Uni in die Festanstellung schwieriger geworden ist. Sondern auch, weil Regierung und Wirt- schaft derzeit willens sind, junge Unter- nehmen mit Risikokapital zu unterstützen: Im ersten Halbjahr 2026 wurden laut Start- up-Verband 3053 neue Firmen gegründet, ein Plus von 52 Prozent gegenüber dem Vorjahreszeitraum. Und auch wenn sich nicht jeder Neuling langfristig im Markt etablieren wird: »Die Gründungserfahrung bringt jeden Menschen fachlich wie per- sönlich enorm weiter«, urteilt Florian Bier- wirth. Zumindest für ihn gelte: »Meine Lernkurve war noch nie so steil wie in den vergangenen Jahren. Und das kann mir niemand mehr nehmen.« eine andere gleichzeitig unangetastet las- sen.« Ein innovativer »Plug & Play«-Ansatz ermöglicht zudem den schnellen und ein- fachen Tausch von Batteriemodulen, die ihr tatsächliches Lebensende erreicht ha- ben. Bierwirth: »Dank des Monitorings und dem Austausch einzelner Batterien können wir unseren Kunden eine hundertprozen- tige Kapazitätsgarantie für zehn Jahre ge- ben. Damit liegen wir deutlich über dem Marktstandard von 80 Prozent Kapazität nach zehn Jahren.« Ursprünglich wollte das Gründer-Team von EDENenergy – neben Florian Bierwirth zählen noch Daniel Seeger und Hannes Kurzmann zur Start-Crew – vor allem Pri- vatkunden adressieren. Doch dieser Markt ist schlicht zu heterogen. Deshalb stehen inzwischen kleine und mittelständische Unternehmen im Zentrum der Marketing- strategie, genauer gesagt »KMU in Freiburg, im Schwarzwald und im Oberrheingraben, die bereits eine Photovoltaikanlage haben, y g r e n e N E D E , o t o h p k c o t s i / n e n a i l a p p a L a i l a t a N : s o t o F aber noch keinen Speicher«, so Bierwirth. Parallel zu neuen Kunden sucht das Start- up weitere »Sourcing Partner«, also Akku- Lieferanten. An Bord sind bereits die Job-Rad GmbH in Freiburg sowie der E- Scooter-Anbieter Dott (ehemals Tier). »In- teressant sind für uns aber generell alle Flottenanbieter in Sachen Mikromobilität oder Unternehmen wie die Deutsche Post, bei denen Tausende E-Bikes mit bauglei- chen Akkus in Betrieb sind.« Team EDENenergy: Thomas Kunz, Florian Bierwirth, Nicola Jung, Daniel Seeger, Levin Deitigsmann, Hannes Kurzmann (v. l. n. r.). zurück zu Seite 1 25

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3 | 26 Aus Forschung wird Wirtschaftskraft Von der Idee zum Unternehmertum: Seit 25 Jahren begleitet Fraunhofer Venture Forschende und Entrepreneure, die mit Fraunhofer-Technologien die Welt verändern wollen. Von Beate Strobel M ehr als 1000 begleitete Aus- gründungsprojekte, über 500 Unternehmensgründungen, mehr als 600 Millionen Euro eingeworbenes externes Finanzierungska- pital und über 1 Milliarde Euro Rückflüs- se: Seit 25 Jahren unterstützt Fraunhofer Venture Forschende dabei, Technologien aus den Laboren der Fraunhofer-Institu- te in erfolgreiche Unternehmen zu über- führen. Zwischen einer wissenschaftlichen Idee und einem marktfähigen Produkt liegen zahlreiche Herausforderungen. An der Schnittstelle zwischen Forschung und Un- ternehmertum ist Fraunhofer Venture ak- tiv. Über Beratungsangebote, Förderpro- gramme, Beteiligungsmanagement und ein starkes Netzwerk finden Entrepreneu- re und solche, die es werden wollen, tat- kräftige Hilfe für alle Stationen im Aus- gründungsprozess. Unternehmen, die aus der Fraunhofer- Forschungswelt hervorgegangen sind, schaffen nicht nur Arbeitsplätze und er- schließen neue Märkte. Sie bringen Zu- kunftstechnologien in die Anwendung – von Künstlicher Intelligenz über Medi- zintechnik bis hin zu Energie- und Pro- duktionstechnologien – und beweisen, was möglich ist, wenn wissenschaftliche Ex- zellenz auf unternehmerischen Gestal- tungswillen trifft. Loopario GmbH: Transparenz für den Transport Die Geschichte von Loopario beginnt mit vier Forschern am Fraunhofer-Institut für Materialfluss und Logistik IML in Dort- mund und ihrer Vision, »die ganze Sache mit der Ladungsträgerverwaltung auf den Kopf zu stellen«. Und das ist keine kleine Sache. Weltweit sind rund 10 Milliarden Paletten, Behälter und Gestelle im Um- lauf. Gebundenes Kapital, das außerdem bei Verlust, Beschädigung oder ineffizi- enter Nutzung erhebliche Kosten für ein Unternehmen verursachen kann. Jede einzelne der jährlich 150 Milliarden Wa- renübergaben zwischen Unternehmen er- zeugt Buchungen, Saldenabgleiche, Ab- stimmungsprozesse und Dokumentation. Selbst im 21. Jahrhundert erfolgt das oft noch auf Zetteln oder über E-Mails, Excel- Listen und isolierte Systeme. Bürokratie, die kostet – Zeit wie Geld. Als Lösung hat Loopario eine cloudba- sierte Softwareplattform für das Manage- ment von Mehrweg-Ladungsträgern ent- wickelt. Sie vernetzt Geschäftspartner weltweit, automatisiert Buchungen und Ab- stimmungsprozesse und schafft Transpa- renz hinsichtlich Beständen, Umläufen und Verlusten in Lieferketten. Ziel ist es, Mehr- wegsysteme ebenso einfach und effizient nutzbar zu machen wie Einwegsysteme. Loopario ist das erste »Load Carrier Management System« (LCMS) weltweit. Es übernimmt das Management aller Pa- letten, Gestelle und Gitterboxen – so wie ein Warehouse-Management-System (WMS) Unternehmen bei der Steuerung ihrer Lagerprozesse unterstützt und ein Transport Management System (TMS) ih- re Transportabläufe organisiert. In den fünf Jahren seit der Ausgründung 2021 hat sich die Zahl der Mitarbeitenden auf 25 und die der Kunden auf über 40 erhöht. Dr. Philipp Hüning, Co-Founder und CEO von Loopario: »Unser Ziel ist es, das La- dungsträgermanagement vollständig zu automatisieren und damit den Unterneh- men dieses Thema abzunehmen.« Cellbox Solutions GmbH: Der transportable Inkubator Wie lassen sich lebende Zellen und Gewe- beproben von A nach B transportieren? 26

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3 | 26 Pharma- und Biotechunternehmen setzen hierfür bislang meist auf Kryokonservie- rung: Die Kulturen werden an Punkt A tiefgekühlt und bei B wieder aufgetaut. Das Verfahren ist jedoch teuer und kann die Qualität sowie Funktionalität des Zell- materials beeinträchtigen. Hinzu kommt, dass sich besonders empfindliche Zell- und Gewebestrukturen nur schwer oder gar nicht kryokonservieren lassen. Cellbox Solutions, ausgegründet 2016 aus der Fraunhofer-Einrichtung für Indi- vidualisierte und Zellbasierte Medizin- technik IMTE (damals Fraunhofer EMB), ersetzt die Kühlketten-Lösung durch die sogenannte »Warm Chain«-Technologie: Empfindliche Zellkulturen werden in mo- bilen CO2-Inkubatoren unter kontrollier- ten physiologischen Bedingungen trans- portiert. Der geringere Zellstress verbessert nachweislich die Verfügbarkeit des Zell- materials für medizinische Anwendungen. Von der patentierten Technologie profi- tieren Zukunftsfelder wie Zell- und Gen- therapien, regenerative Medizin, In-vitro- Fertilisation sow ie personalisierte Diagnostik und Therapie. Weltweit sind bereits mehr als 300 »Warm Chain«-In- kubatoren in der Pharma- und Biotechno- logie, in der Forschung und an Universi- täten im Einsatz. Threedy GmbH: 3D-Datennutzung für alle und überall Von Augmented Reality über Digitale Zwil- linge bis hin zu Smart Factories: All diese Innovationstechnologien basieren auf der schnellen und einfachen Verfügbar- keit von 3D-Daten. Das Start-up Threedy, eine Ausgründung des Fraunhofer-Insti- tuts für Graphische Datenverarbeitung IGD, hat es sich zur Aufgabe gemacht, den industriellen Einsatz von 3D-Daten zu revolutionieren. Das vierköpfige Grün- derteam hat hierfür noch am Fraunhofer IGD mit instant3Dhub eine Plattform ent- wickelt, die selbst riesige digitale Model- le von ganzen Fabriken für nahezu jedes Endgerät nutzbar macht. »Das erleichtert die Zusammenarbeit aller in die Entwicklung eingebundenen Abteilungen enorm«, erklärt CEO Christian Stein. »Einer setzt neue Ideen am PC direkt um und alle anderen können die Verän- derung am Produkt auf ihrem Bildschirm sofort live in 3D sehen. Das geht mega- schnell.« Zum Kundenstamm der Threedy GmbH zählen inzwischen große Namen aus der Automobilbranche wie BMW, Mercedes, Porsche und VW sowie Konzerne wie Siemens, Trumpf und der französische Energieriese EDF. Vibrosonic GmbH: Eine Kontaktlinse fürs Ohr Hörgeschädigte Menschen haben in der Regel zwei Wünsche: wieder richtig gut hören zu können – und dass ihr Handicap für andere möglichst unsichtbar bleibt. Mit der weltweit ersten »Hörkontaktlin- se®« will ihnen das Mannheimer Start-up Vibrosonic beide Wünsche erfüllen. Entwickelt wurde die Technologie von einem Forscherteam der Fraunhofer-Pro- jektgruppe für Automatisierung in der Me- dizin und Biotechnologie PAMB – und das eher nebenbei: Im Rahmen eines Projekts zur Weiterentwicklung implantierbarer Hörgeräte experimentierte das Fraunho- fer-Team mit einer Lautsprechertechno- logie, die eine schwingende Membran ähn- lich dem natürlichen Trommelfell nutzte. Dabei entstand die Idee, diese Mikromem- bran direkt vor dem Trommelfell einzu- setzen – ähnlich wie eine Kontaktlinse vor der eigentlichen Linse im Auge ja auch die Sehkraft korrigiert. Während konventionelle Hörgeräte als Lautverstärker in der Ohrmuschel oder im Gehörgang arbeiten, haftet die per 3D- Druck passgenau angefertigte »Hörkon- taktlinse®« auf dem Trommelfell und er- zeugt dort feinste Schwingungen, die nicht indirekt über das Medium Luft, sondern unmittelbar an das Hörsystem übertragen werden. Dadurch geht weniger Informa- tion verloren, die Klangqualität steigt. Die akustische Linse kann ohne Operation im- plantiert werden; der zum System gehö- rende Klangprozessor sitzt hinter dem Ohr. Und selbst der könnte, wenn es nach dem dreiköpfigen Gründerteam von Vibrosonic geht, in einer der nächsten Produktlinien ganz im Gehörgang liegen. Und Betroffene dann wunschlos glücklich machen. Nicoustic AS: Mehr Einblick von außen Auf Öl- und Gasplattformen, in Chemie- anlagen oder großen Prozessbehältern müssen die verantwortlichen Fachkräfte jederzeit wissen, wie viel Flüssigkeit sich im Inneren befindet. Einfach den Deckel aufmachen und hineinschauen? Das ist nicht möglich, wenn die Behälter unter hohem Druck stehen, sehr groß sind oder schwer zugänglich. Messsysteme im In- neren des Behälters sind aufgrund von Verschleiß, Korrosion oder Ablagerungen meist keine Alternative. Nicoustic misst den Füllstand eines Behälters, ohne diesen zu öffnen und oh- ne Sensoren im Inneren zu installieren. Stattdessen werden Sensoren außen an der Behälterwand angebracht. Von dort sen- den sie spezielle Ultraschallsignale in das Material des Behälters und analysieren, wie diese Wellen zurückkommen. Je nach- dem, ob sich hinter der Wand Luft, Wasser, Öl oder eine andere Substanz befindet, verändert sich das Signal. Daraus kann das System berechnen, wo genau sich die Ober- fläche der Flüssigkeit befindet – während die Anlage ungestört weiterläuft. Die Technologie basiert auf Forschungs- arbeiten des Fraunhofer-Instituts für Ke- ramische Technologien und Systeme IKTS zu sogenannten geführten Ultraschallwel- len – ursprünglich mit dem Ziel, lange Rohrleitungen auf Schäden zu überwachen. Als der norwegische Energiekonzern Equi- nor beim Fraunhofer IKTS nach Optionen anfragte, Füllstände in geschlossenen Druckbehältern zuverlässig und ohne Ein- griff in die Anlage zu messen, entstand die Idee, die vorhandene Fraunhofer-Techno- logie hierfür anzupassen. 2022 wurde Nicoustic in Norwegen aus- gegründet. Fraunhofer Venture begleitete diesen Schritt nicht nur, Fraunhofer be- teiligte sich auch am Unternehmen – ein Beispiel dafür, was durch die Zusammen- führung von Kundenbedürfnis, Spitzen- technologie und professionellem Grün- dungsmanagement entstehen kann. o t o h p k c o t s i / a k s u t a M n a t l o Z : n o i t a r t s u l l I zurück zu Seite 1 27

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3 | 26 Reststoff? Ressource! Eine blockierte Meerenge, Lieferkettenengpässe, drohende Ernteausfälle – der Zugang zu Düngemitteln ist eingeschränkt, die globale Abhängigkeit groß. In vier Projekten entwickeln Fraunhofer-Forschende Lösungen für eine sichere Versorgung. Von Yvonne Weiß Aber bitte mit Banane: Forschende werten Bioabfälle auf und nutzen sie für neue Düngemittel. A uf den ersten Blick ist es eine braun gefleckte Bananenscha- le, die niemand mehr braucht. Es sind große Mengen an Ab- wasser und Gülle, die entsorgt werden müssen. Oder scheinbar wertlose Abfäl- le in einer Hanffaserfabrik. Doch für die Fraunhofer-Forschenden Dr.-Ing. Antoine Dalibard, Michael Bohn, Dr.-Ing. Esther Stahl und Dr. Melanie Iwanow ist all das der Beginn von etwas Neuem. Etwas, das die Lebensmittelversorgung von morgen sichert. Und: ein großes Stück mehr Un- abhängigkeit. Der Bedarf nach Düngemitteln ist groß. Die Abhängigkeit? Ebenso: Bis zu 40 Pro- zent des weltweit gehandelten Stickstoff- düngers müssen durch die Straße von Hor- mus. Auch dadurch ist der Preis für Stickstoffdünger in Europa seit Anfang 2026 um etwa 40 Prozent gestiegen. Die Folgen: Weniger Dünger wird aus- gebracht, Ernteerträge sinken. Infolge der Blockade der Wasserstraße sind etwa 45 Millionen Menschen mehr von Hunger be- droht. Selten war der Bedarf an Dünge- mitteln so akut. Dazu kommt: Von 2029 an sind Kläranlagenbetreiber gesetzlich Infolge der Blockade der Wasserstraße sind etwa 45 Millionen Menschen mehr von Hunger bedroht. 28

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3 | 26 verpflichtet, den Pflanzennährstoff Phos- phor zurückzugewinnen. Eine Lösung: braucht es dringend. In Paris hat Dr.-Ing. Antoine Dalibard für das Projekt »Cométha« mit Partnern eine Pilotanlage errichtet. Der Gruppen- leiter am Fraunhofer-Institut für Grenz- flächen- und Bioverfahrenstechnik IGB wandelt Bioabfälle gemeinsam mit Klär- schlamm effizient zu Methan um und iso- liert Stickstoff und Phosphor. Die Quelle für den neuen Dünger: eine große Ladung Bioabfälle und jede Menge Abwasser aus der Region. Zuerst wird der Biomüll, aus dem die Forschenden vorab unerwünschte Abfäl- le wie Kunststoff entfernt haben, zum Klär- schlamm hinzugefügt. Danach wird dieses Gemisch einer Fest-Flüssig-Trennung un- terzogen: Die Flüssigkeit wird zunächst gereinigt und aufbereitet. Anschließend isolieren die Fraunhofer-Forschenden da- raus die gewünschten Nährstoffe. »Im ers- ten Schritt extrahieren wir Phosphorsalze in Form von Struvit, im zweiten Stickstoff als Ammonium-Sulfat-Lösung«, sagt Da- libard, »beides können wir später als Dün- ger verwenden. Der Feststoff wird zudem in der Anlage getrocknet und schließlich zur Produktion von Biogas genutzt.« Die- se Wiederaufbereitung von gemischten Abfällen ist ein Novum und wegen ihrer Heterogenität besonders herausfordernd. Rohstoffe regional rückgewinnen In Stuttgart möchte auch Michael Bohn, Antoine Dalibards Kollege am Fraunhofer IGB, aus einer trüben Brühe Wertvolles ziehen. Mithilfe einer Aufbereitungsanla- ge will Bohn ebenfalls Phosphor, Kalium und Stickstoff rückgewinnen, um sie als Basis für neue Düngemittel zu nutzen. Sein Augenmerk liegt dabei allerdings nicht auf Abwasser, sondern der Land- wirtschaft. Genauer gesagt: Gülle, Gär- resten und einer Biogasanlage. »Im Projekt ›Innovatives Güllemanage- ment‹ (PIGM) schaffen wir ein ganzheit- liches Konzept ohne Abfallstoffe, mit dem wir Landwirten das Düngen erleichtern und sie Nährstoffe gezielt ausbringen kön- nen«, erklärt Projektleiter Bohn. »So scho- »Mit unserem Verfahren schonen wir nicht nur Klima und Umwelt, wir reduzieren auch globale Abhängigkeiten.« Michael Bohn, Fraunhofer IGB nen wir nicht nur Klima und Umwelt, wir reduzieren auch globale Abhängigkeiten.« Bereits im Vorgängerprojekt BioEcoSIM haben der Wissenschaftler und sein Team ein Konzept zur Extraktion von Phosphor entwickelt. Darauf bauen die Forschenden auf und möchten neben Phosphor nun auch Kalium und Stickstoff rückgewinnen – in ein und derselben Anlage. Die einzelnen Prozessschritte haben Bohn und seine Kolleginnen und Kollegen im Labor simuliert: Nach Anlieferung von Hühnertrockenkot und Schweinegülle wird beides, wie in einer Biogasanlage, zunächst vergoren. Aus dem entstandenen Slurry – einem Schlamm, der aus Feststoffen und Flüssigkeit besteht – lassen sich anschlie- ßend die Nährstoffe gewinnen: Um den Großteil des Phosphors zu lösen, der an den festen Partikeln im Schlamm hängt, säuern die Forschenden die Mischung zu- nächst an. Anschließend wird die Masse separiert: Während sich die Feststoffe als Kompost nutzen lassen, wird Phosphor mithilfe von Lauge aus der Flüssigkeit iso- liert. Das Ergebnis: getrocknete Phosphor- Salze, die aussehen wie Kandiszucker, sich direkt nutzen lassen und unbedenklich für die Umwelt sind. Auch ihre Lagerung ist unkompliziert. Damit lösen die Salze gleich zwei Herausforderungen: Weil Gül- le bislang direkt auf dem Acker ausgebracht wird, drohen Überdüngung und eine er- höhte Schwermetallbelastung im Boden. Da sie aus etwa 90 Prozent Wasser besteht, sind Lagerung und Transport der Gülle bisher zudem teuer, ihre Ausbringung we- nig effizient. Die verbleibende Flüssigkeit wird an- schließend gefiltert. Dank Membranen und zugesetzter Säure lässt sich daraus schließ- lich Stickstoff extrahieren – und ebenfalls für neue Düngemittel nutzen. Das übrige Wasser, das nun lediglich Kalium enthält, kann zum Gießen und zur Verbesserung des Bodens dienen. »Besonders Phosphor kommt meist aus Krisengebieten, für die Herstellung von synthetischen Stickstoffdüngern werden außerdem etwa ein bis zwei Prozent der globalen Energieproduktion benötigt«, so Michael Bohn. »Unser Verfahren bietet Energie aus der Biogasanlage sowie lokale Rückgewinnungsmöglichkeiten – und birgt damit enormes Potenzial, Spannungen zu vermeiden, Energie einzusparen und mehr Unabhängigkeit zu gewinnen.« Vom Klärwerk ins Gewächshaus Für das Ziel einer unabhängigen Land- wirtschaft, die künftig auch in Städten ausreichend frisches, heimisches Gemü- se produziert, arbeitet gut 400 Kilometer entfernt Dr.-Ing. Esther Stahl im Fraunho- fer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen. Eine Schlüsselrolle spielt dabei ein spe- zielles Düngemittel für Indoor-Farmen. Und auch diesmal: Kläranlagen. Im Projekt SUSKULT wandeln die Lei- terin der Abteilung Circular Water and Bio- mass Utilization und ihr Team nährstoff- reiches Schlammwasser aus Kläranlagen in regionalen Flüssigdünger um. Dieser enthält Stickstoff, Phosphor und Kalium – zentrale Bausteine für Nährlösungen, mit denen künftig Karotten, Salat oder Süß- kartoffeln in urbanen Indoor-Farmen hy- droponisch wachsen können – in Anbau- systemen also, die ohne Erde auskommen und in denen Pflanzen direkt in einer nähr- stoffreichen Wasserlösung gedeihen. Um den globalen Nahrungsmittelbe- darf zu decken und gleichzeitig die Um- weltauswirkungen der Landwirtschaft zu minimieren, müssten Nährstoffe und Was- ser in der Pflanzenproduktion effizient genutzt werden, so Esther Stahl: zurück zu Seite 1 29 e n i l n O 1 F / y s k c o t S / / d t L n o s r e d n A h c n e r F : o t o F

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3 | 26 »Kläranlagen der Zukunft sollen nicht mehr nur zur Behandlung von Abwasser dienen, sondern vielmehr zu Ressourcencentern werden, um all das zu liefern, was Pflan- zen zum Wachsen brauchen – Nährstoffe, Wasser, CO2 und Energie.« Die zentrale Herausforderung: Wäh- rend die meisten herkömmlichen Rück- gewinnungsverfahren feste Düngeproduk- te für den Ackerbau liefern, benötigt ein Anbau ohne Erde partikelfreie, sehr gut lösliche und möglichst reine Nährlösun- gen. Vor allem Stickstoff muss überwiegend als Nitrat vorliegen, damit Pflanzen ihn aufnehmen können. Eine Analyse meh- rerer beteiligter Projektpartner zeigte, dass sich mit herkömmlichen Verfahren bislang weniger als 12 Prozent der erforderlichen Nährstoffe zurückgewinnen lassen. Hier setzen die Fraunhofer-Forschen- den mit ihrem NEWtrient-Verfahren an: In einem Membranbioreaktor wird das nährstoffreiche Schlammwasser zunächst aufbereitet und mithilfe von Mikroorga- nismen der enthaltene Anteil an Ammo- niumstickstoff in Nitratstickstoff umge- wandelt. Dank spezieller Filter entsteht so ein klarer, nitrathaltiger Strom. Um eine Lösung zu erhalten, die Pflan- zen ausreichend versorgt, nutzten die For- schenden anschließend eine Kombination aus klassischer Elektrodialyse und einer modifizierten Mixed-Stack-Elektrolyse: ein Verfahren, mit dem sie Nährstoffe auf- konzentrieren und das Verhältnis verschie- dener Stoffe einstellen können. So lässt sich etwa festlegen, wie viel Kalium und Nitrat in der Lösung enthalten sind. Ein entscheidender Vorteil, da verschiedene Pflanzen unterschiedliche Mengen an Nährstoffen zum Wachsen benötigen. Die bisherigen Ergebnisse zeigen: Die neue Methode versorgt die Pflanzen mit ausreichend Nitrat und kann mehr als die Hälfte der normal benötigten, energiein- tensiven Düngemittel durch recycelte Nährstoffe ersetzen – etwa fünf Mal mehr als bisher. Zudem entfernt sie gut 90 Pro- zent der unerwünschten Stoffe, wie orga- nische Verbindungen. In der aktuellen Projektphase möchten die Forschenden neben Ressourcen aus 30 Kläranlagen auch andere Stoffe wie Gär- reste nutzen sowie das Verfahren weiter optimieren. Esther Stahl ist begeistert: »Unsere Lö- sung hilft dabei, Stoffkreisläufe weiter zu etablieren und Wasser-, Land- und Kreis- laufwirtschaft eng miteinander zu verzah- nen. Damit leisten wir einen wichtigen Beitrag für eine resiliente Nährstoff- und Nahrungsmittelversorgung von morgen.« Maßgeschneidert düngen Stoffkreisläufe schließen, das möchte auch Dr. Melanie Iwanow, wissenschaft- liche Mitarbeiterin am Institutsteil des Fraunhofer IGB in Straubing. Im Projekt HanAkku-M entwickelt sie mit ihren Kollegen ein biobasiertes Düngemittel, das biologisch abbaubar ist und sich res- sourcenschonend herstellen lässt: »Unser maßgeschneiderter Dünger versorgt die Pflanze ausschließlich mit den notwendi- gen Nährstoffen und in den Mengen, die sie tatsächlich benötigt.« Gemeinsam mit ihren Kollegen Dr. Mi- chael Richter und Dr. Steffen Roth möch- te die Chemikerin so eine Überdüngung verhindern – und damit Nutzpflanzen und Biodiversität stärken, die Boden- und Trinkwasserqualität verbessern sowie die Nitratbelastung senken.

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3 | 26 Die neue Methode kann mehr als die Hälfte der normal benötigten, energieintensiven Düngemittel durch recycelte Nährstoffe ersetzen – etwa fünf Mal mehr als bisher. ze benötigt. Im Labor werden diese Stoffe anschließend mithilfe sogenannter Deep Eutectic Solvents (DESs) gelöst: eines um- weltfreundlichen Mittels, das durch das Mischen von Feststoffen und einer an- schließenden moderaten Temperaturerhö- hung eine Flüssigkeit bildet. Mit den ge- lösten Nährstoffen beladen die Forschenden nun die Schäben des Hanfstängels. Die ab- sorbierten Stoffe lassen sich später kon- trolliert freisetzen – und die jeweilige Pflan- ze damit bedarfsgerecht versorgen. »Sind die Nährstoffe nach einiger Zeit gelöst, steht im Mikroporengerüst der Hanfschäben wieder Platz zur Verfügung, und es kann als Wasserspeicher für den Boden dienen. Gerade während Dürrepe- rioden ist das ein entscheidender Vorteil«, so Melanie Iwanow. Im letzten Schritt fin- det die Zersetzung des Düngemittels statt, wobei es zusätzlich einen Beitrag zur Hu- musbildung leistet. Das neue Produkt soll künftig eine bio- basierte Alternative zu Langzeitdüngern werden, die eine vergleichbare Wirkung erzielt, dabei allerdings keine schädlichen Abbauprodukte wie Mikroplastik im Bo- den hinterlässt. Mit dem neuen Dünger haben die Forschenden bereits erfolgreich Paprika-Pflänzchen gezogen. Aktuell fei- len Melanie Iwanow und ihre Kollegen an der finalen Rezeptur, damit sich die In- haltsstoffe möglichst langsam und gezielt freisetzen lassen. Dann kann der Dünger auch Hobbygärtnern helfen – effizient, nachhaltig und umweltfreundlich. Nichts als trübe Brühe? Abwasser aus Kläran- lagen enthält wertvolle Pflanzennährstoffe wie Phosphor. »Unsere Lösung hilft dabei, Stoff- kreisläufe weiter zu etablieren und Wasser-, Land- und Kreislaufwirtschaft eng miteinander zu verzahnen.« Dr.-Ing. Esther Stahl, Fraunhofer UMSICHT o t o h p k c o t s i / r e g T g u B i : s : o o t t o o F F Die Basis für den umweltfreundlichen Dünger? Das Innere von Hanfschäben- Stängeln, die als Nebenprodukt in Hanf- faserfabriken anfallen und bislang nur eingeschränkt als Tierstreu weiterverwen- det werden. Iwanow und ihre Kollegen verschaffen den Abfällen ein zweites Le- ben: »Wegen ihrer hochporösen Mikro- struktur und Materialbeschaffenheit kön- nen Hanfschäben etwa das Vierfache ihres Eigengewichts an Wasser aufnehmen. Die- se Eigenschaft wollen wir nun auf neue biobasierte Lösungsmittel übertragen«, so die Forscherin. Dafür identifiziert das Team zunächst die Nährstoffe, die eine bestimmte Pflan- zurück zu Seite 1 31

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3 | 26 Den Krisen einen Schritt voraus Fünf Jahre nach der Flut im Ahrtal: Ein interdisziplinäres Forschungsteam nutzt die Erfahrungen aus der Katastrophe, um die Resilienz von Behörden und Organisationen zu stärken und Deutschland besser auf künftige Notlagen vorzubereiten. Von Beate Strobel Sommer 2021: Die Jahrhundertflut machte das Ahrtal (Foto: Altenahr) zum Katastrophengebiet. A uf den laminierten Fotos ist nichts als Zerstörung zu se- hen. Steffen Lensing vom Lan- desverband Hessen, Rhein- land-Pfalz und Saarland des Technischen Hilfswerks (THW) reicht die Bilder durch den Bus: Häuser, die bis zum Dach unter Wasser stehen. Brücken, von denen nur noch Ruinen übrig sind. Straßen, die in einen Abgrund münden. Und Dörfer, die im Schlamm versinken. Als eine »Chronik des Schreckens« bezeichnet einer der Teil- nehmer der Ahrtal-Exkursion die Bilder- sammlung, als er sie Lensing zurückgibt. Doch der THW-Mann widerspricht: »Die wahre Chronik des Schreckens haben wir weggesperrt. Die können wir niemandem zumuten.« Gut 35 Menschen sind der Einladung des THW und des Projekts RESKON ins Ahrtal gefolgt: Mitarbeitende des Techni- schen Hilfswerks, der Feuerwehr oder des Bundesamts für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK), aber auch Fraun- hofer-Forschende sowie ein Wissenschaft- ler der Technischen Hochschule Wildau bei Berlin. Viele von ihnen halfen während der Flutkatastrophe im Juli 2021 direkt vor Ort und unterstützen die Menschen in der Region bis heute bei der Beseitigung der Folgen. Vereint im Forschungsprojekt RESKON wollen sie unter anderem auf Be- hördenebene Fähigkeitslücken aufdecken, damit sich ein solches Desaster nicht wie- derholen kann. Der Rekordregen, den das Tiefdruckge- biet »Bernd« damals in Teile von Rheinland- Pfalz und Nordrhein-Westfalen brachte, gilt als eine der schlimmsten Naturkatastro- phen der deutschen Geschichte. In der be- sonders betroffenen Ahrtalregion fielen binnen 24 Stunden bis zu 150 Liter Regen pro Quadratmeter – mehr als das Doppel- te der üblichen Menge für den gesamten Monat Juli. Über 180 Menschen verloren in den Sturzfluten ihr Leben, Tausende Menschen ihr Zuhause, ihr Hab und Gut, ihre Existenzgrundlage. Für das THW wur- de das Extremwetterereignis zum bislang größten Einsatz in seiner mehr als 70-jäh- rigen Geschichte: Wochenlang waren pro Tag mehr als 4100 Einsatzkräfte aus allen 668 THW-Ortsverbänden im Bundesgebiet damit beschäftigt, Menschen zu evakuie- ren, nach Vermissten zu suchen, die Trink- wasserversorgung wieder herzustellen, Notunterkünfte zu errichten, Behelfsbrü- cken aufzubauen und einsturzgefährdete Bauwerke abzustützen. Was von der Flut bleiben muss Der Staat muss aus solchen Ereignissen lernen, um die Bevölkerung wirksam schützen zu können: Dieses Ziel formulier- te das Bundesinnenministerium in seinem Abschlussbericht zur Hochwasserkatastro- phe 2021. RESKON wolle hierzu beitragen, erklärt Dr. Maike Vollmer, wissenschaft- liche Mitarbeiterin am Fraunhofer-Ins- titut für Kommunikation, Informations- verarbeitung und Ergonomie FKIE. Seit dem Start im Oktober 2024 koordiniert die Geografin das Projekt. Bis 2027 soll ein modularer Werkzeugkoffer entstehen, mit 32

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3 | 26 Sommer 2026: Der Schutt ist weggeräumt, vieles wieder aufgebaut – doch längst nicht alles. dem Behörden nicht nur ihre aktuelle Re- silienz gegenüber Krisen messen, sondern auch kontinuierlich verbessern können. Denn bislang fehlt ein gesicherter Über- blick darüber, wie krisenfähig deutsche Behörden tatsächlich sind und wie effektiv Organisationen im Notfall kooperieren. Und das angesichts der Tatsache, dass Be- drohungslagen tendenziell häufiger, größer und komplexer werden – nicht nur durch Extremwetterereignisse, sondern auch durch Pandemien oder geopolitische Ver- schiebungen. RESKON will eine praktikab- le Roadmap aufzeigen für mehr Resilienz. Der Exkursions-Bus stoppt in Alten- ahr, eine der Ortsgemeinden, die von der Flut besonders schwer getroffen wurden: Sieben Menschen starben hier, 80 Prozent der Häuser wurden beschädigt. Die Bun- desstraße, die durch das enge Ahrtal führt, wurde hinter einem Straßentunnel von den Wassermassen komplett weggerissen. An der Stelle, an der fleißig am Wiederauf- bau der Brücke Richtung Reimerzhoven gearbeitet wird, gibt Benjamin Lickert vom Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, einen Einblick in das Projektmodul. Der Informatiker will die Resilienz von Behörden und Organisa- tionen quantifizierbar machen. Dafür hat er Digitale Zwillinge von Beispiel-Behörden und Organisationen wie Feuerwehr, Ret- tungsdienst, THW, Polizei und kommuna- ler Verwaltung entwickelt, um so wichtige Faktoren wie Prozessrobustheit, Reaktions- schnelligkeit oder Bewältigungsfähigkeit für ausgewählte Krisensituationen simu- lieren zu können: Was passiert, wenn bei einem Waldbrand nur 20 Feuerwehrkräf- te zur Verfügung stehen – und wie sieht es aus, wenn 100 akquiriert werden können? In welcher Zeit sollten diese idealerweise am Einsatzort ankommen – und gibt es überhaupt ausreichend Löschgeräte für sie? »Auch Eventualitäten wie fehlende Kommunikationskanäle durch Zusammen- bruch des Internets oder Unterbrechung der Befehlskette lassen sich hier virtuell durchspielen, um daraus wieder notwen- dige Maßnahmen abzuleiten«, erklärt Li- ckert. Über den Digitalen Zwilling einer Behörde soll eine Art Resilienzquote pro Gemeinde entstehen, anhand derer diese vergleichbar und Schwachstellen aufge- deckt werden, bevor der Ernstfall eintritt. Simuliert werden kann auch, inwiefern sich die Resilienzquote verändert durch Variablen wie »Unterstützung benachbar- ter Behörden in Zeit X« oder »Reserve von Ressource X erhöhen«. Resilienz braucht mehr Miteinander Echte Krisen lassen sich in der Regel nicht im Alleingang bewältigen: Das ist den Behörden, Einsatzorganisationen und Verwaltungen in der Ahrtal-Katastrophe deutlich vor Augen geführt worden. Um aus ihren Erfahrungen zu lernen, wur- den im Rahmen von RESKON Vertreter verschiedener Organisationen zur be- hördlichen Kooperation befragt. »Köpfe kennen«, ist einer der Lehrsätze, die auch bei der Ahrtal-Exkursion immer a p d / r e l s s e o R s i r o B : s o t o F zurück zu Seite 1 33

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3 | 26 Das Fotoprojekt »We AHR strong« des niederländi- schen »Museum of Humanity« porträtiert Men- schen wie Kai, deren Leben durch die Flut radikal verändert wurde. wieder genannt werden. Maike Vollmer: »Im Krisenfall sollte man nicht lange nach den verantwortlichen Menschen suchen müssen, sondern zu diesen idealerweise bereits ein Vertrauensverhältnis aufge- baut haben.« Möglich wird dies etwa durch regel- mäßige organisationsübergreifende Übun- gen und spezielle Austauschmöglichkeiten wie Arbeitsgruppen. Vollmer: »Außerdem haben Verwaltung, polizeiliche und nicht- polizeiliche Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben, Militär und an- dere Helfende unterschiedliche Termini und Logiken.« Gemeinsame Formate wür- den die Kommunikation im Ernstfall er- leichtern. Damit solche Zusammenkünfte stattfinden und langfristig beibehalten werden, ist die Unterstützung der Leitungs- ebene zwingend nötig. Aktuell finden Maßnahmen zur Op- timierung der Kommunikation nur ver- einzelt statt. Damit sich das ändert, soll in RESKON unter Leitung des Bundesamts für Bevölkerungsschutz und Katastrophen- hilfe (BBK) ein Kooperationscheck für Be- hörden entstehen, der nicht nur den Status quo ermitteln, sondern vor allem auch konkrete To-dos für Verwaltungen und Behörden beinhalten soll. Dafür, dass die einzelnen Arbeitspa- kete innerhalb von RESKON verzahnt wer- den, ist der Kooperationspartner comple- neo Consulting zuständig. Der Job des Beratungsunternehmens liegt darin, die notwendigen Veränderungen schnell in die Umsetzung zu bringen und das Be- wusstsein für Themen der Resilienz in den Verwaltungen, Organisationen und Be- hörden nachhaltig zu implementieren. »Ein sogenannter ›Kontinuierlicher Verbesse- rungsplan‹ – kurz KVP – soll garantieren, dass alle Akteure aus den Erfahrungen in Übungen und realen Kriseneinsätzen im- mer wieder dazulernen«, so Maike Vollmer. Und so dazu beitragen, dass Resilienz nicht verstanden wird als etwas, das man ein- mal erreicht hat und sich danach von selbst erhält. Sondern tatsächlich ein Prozess ist, der immer wieder von allen Behörden be- obachtet, geprüft, verbessert und organi- satorisch neu verankert werden muss. Pro Tag waren mehr als 4100 Einsatzkräfte aus allen 668 THW- Ortsverbänden im Einsatz. 34 r e l i e w r h A g n u t l a w r e v s i e r K / e s s i R d r a h n r e B : o t o F

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3 | 26 Robust, schnell wachsend und biologisch abbaubar: Gerade Baumpilze sind spannend für die Materialforschung. Wenn Pilze zu Baustoffen werden Im FungiFacturing®Lab des Fraunhofer UMSICHT in Dortmund wachsen Pilze zu Dämmplatten und Schallabsorbern heran. Von Kathrin Schwarze-Reiter E s riecht nach Waldboden, nach feuchtem Holz, nach Dachboden. In Kunststoffsäcken, die in Klimakammern stehen, wuchert wei- ßes, feines Geflecht durch Strohhäcksel und Sägespäne. Es spannt seine Fäden, bis sich die Reststoffe in ein zusammenhängendes Etwas verwandelt haben. Was hier im FungiFacturing®Lab des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Dortmund entsteht, sieht aus wie eine Mondlandschaft im Miniaturformat oder wie ein gut durchgereifter Ca- membert – und ist doch nichts anderes als das Skelett ei- nes Pilzes. Und womöglich das Baumaterial der Zukunft. Biologin Lina Vieres kennt diesen Moment gut, in dem Besucherinnen und Besucher zum ersten Mal vor einer Kiste mit Myzelmaterial stehen: Erst das vorsichtige An- tippen, dann das überraschte Lächeln, weil sich das Ma- terial weich, fast flauschig anfühlt. »Die meisten denken bei Pilzen im Bau erst mal an Schimmel oder Haus- schwamm, an einen lebenden Organismus, der sich durch das Haus frisst«, sagt die Mitarbeiterin der Abteilung Car- bon Utilization and Mineralization am Fraunhofer UM- SICHT. Dabei ist das Myzel im fertigen Werkstoff längst abgetötet: Es kann keine Fruchtkörper mehr bilden und wächst nicht weiter. Die Angst vor giftigen Pilzen und Schimmelbefall sitzt tief. Doch genau jenes Wachstum, das viele fürchten, ist der eigentliche Clou der Sache. Eher Tier als Pflanze Was Vieres an Pilzen fasziniert, ist diese unterschätz- te Bauleistung. Pilze sind keine Pflanzen, sondern ein eigenes Reich der Natur, näher mit Tieren verwandt e n i l n O 1 F / y s k c o t S / a l e r a V s i a h T : o t o F zurück zu Seite 1 35

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3 | 26 als mit Bäumen oder Gräsern. Ihre Zellwände bestehen unter anderem aus Chitin, demselben stabilen Material, aus dem auch Insektenpanzer gemacht sind – das macht ihr Geflecht von Natur aus robust. Verwendet werden vor allem holzabbauende Arten, umgangssprachlich Baum- pilze genannt, die mit einem ganzen Arsenal an Enzymen Lignin und Zellulose zersetzen können: der Glänzende Lackporling, wissenschaftlich Ganoderma lucidum, ge- schätzt für seine besonders stabile, dichte Myzelstruk- tur. Oder der schnell wachsende Austernseitling sowie der Zunderschwamm, der einst als Zunder für Feuerstein diente und heute für seine widerstandsfähige, lederarti- ge Struktur bekannt ist. »Diese Pilze haben in Jahrmillionen ge- lernt, alle möglichen Substrate als Nahrungsquelle für sich zu verwenden«, sagt Vieres. »Wir nutzen im Grunde nur, was sie ohnehin am besten können.« Wo andere Menschen im Wald nach Speisepilzen suchen, sammelt die Biologin deshalb Inspiration für neue Materialien: Sie krieche gern in Gebüsche, um seltene Baum- pilze zu fotografieren, erzählt sie, und schließt im kommenden Jahr ihre Weiterbildung zur Fachberaterin für Mykologie ab. Vieres lacht: »Mein Freun- deskreis wundert sich schon lange nicht mehr darüber.« Welcher Pilz zum Einsatz kommt, hängt immer von der gewünschten Anwendung ab: Soll das Material be- sonders stabil sein, besonders leicht, oder soll es vor allem schnell fertig werden? Manche Arten durchwachsen ein Substrat in wenigen Tagen, andere brauchen Wochen, bilden dafür aber ein dichteres, belastbareres Netzwerk. Diese Vielfalt macht Pilze zu einem erstaunlich anpas- sungsfähigen Baustoff-Baukasten – je nach Art, Substrat und Wachstumsbedingung entstehen ganz unterschied- liche Materialien aus ein und demselben Grundprinzip. hofer UMSICHT in der Abteilung Nachhaltigkeit und Par- tizipation. Aus dieser Nische ist ein eigenständiges, ernst zu nehmendes Forschungsfeld geworden. Lina Vieres war von Anfang an dabei: Ihre Bachelor- arbeit widmete sie der Nutzung von Myzel als Wärme- dämmung. Zu diesem Zeitpunkt gab es kaum wissenschaft- liche Literatur zum Thema, sie musste sich vieles selbst erarbeiten. Heute sind es Hunderte Publikationen – ein Beleg dafür, wie schnell sich das Forschungsfeld weltweit entwickelt hat. Auch Vieres` eigene Position hat sich seit- her verschoben: Die Forscherin wechselte von der Gruppe »Nutzerzentrierte Technikgestaltung« in die Gruppe »Buil- ding Materials« – ein kleiner orga- nisatorischer Schritt, der die neue, deutlich technischere Ausrichtung der Fungi-Forschung widerspiegelt. Mit dem Wachstum kam auch eine strukturelle Veränderung: Der praktische Fertigungsbereich, das eigentliche FabLab, wurde zum Fraunhofer UMSICHT nach Ober- hausen verlagert. Im Dortmunder Labor arbeiten seither zwei Perso- nen an vorderster Front: Lina Vie- res und die studentische Hilfskraft Jasper Albin. Klingt nach wenig für ein Forschungsfeld mit so viel Zukunftspotenzial, doch im Hintergrund er- gänzt ein großes Netzwerk das Kernteam. Der ganze Wis- senschaftsbereich wird von der Gruppe Building Mate- rials getragen, darunter eine Designerin, ein Techniker, ein Laborant, ein Materialwissenschaftler und ein Che- mieingenieur. Und auch das zentrale Forschungsmanage- ment des Instituts unterstützt rund um Transferfrage- stellungen und Industriekontakte. Für Analytik, Funktionalisierung und Formenbau kann Vieres auf die Werkstätten und Labore am Standort Oberhausen zurück- greifen: Dort werden Abbaubarkeit, Brandschutzverhalten, Wärmeleitfähigkeit sowie Zug- und Druckfestigkeit der Materialien geprüft, ebenso deren Ökobilanz. Ihre Vielfalt macht Pilze zu einem erstaunlich anpassungsfähigen Baustoff-Baukasten. Vom Mitmachlabor zur Forschungsinnovation Dass in Dortmund überhaupt an Pilzwerkstoffen ge- forscht wird, war nicht von Anfang an geplant. Das heu- tige FungiFacturing®Lab ist aus der »Dezentrale« hervor- gegangen, einem offenen Mitmachlabor in Dortmund, organisiert vom Fraunhofer UMSICHT im Projekt LUZI »Labor für Zukunftsfragen«, in dem Menschen mit ganz unterschiedlichen Ideen an eigenen Projekten arbeiten konnten – von der Elektrowerkstatt über Lasercutter und 3D-Drucker bis zu einem kleinen Bio-Bereich. Pilze waren dort zunächst nur eine von vielen Nischen, eingebracht von einer Kollegin aus dem Designbereich: Julia Krayer, ehemalige wissenschaftliche Mitarbeiterin beim Fraun- Die Fraunhofer-Institute, die schon länger im Bereich Myzelmaterial-Forschung unterwegs sind, beleuchten das Thema aus unterschiedlichen Gesichtspunkten und Fachrichtungen. »Es wäre wünschenswert, ein Fraunho- fer-Netzwerk zu bilden, um das wissenschaftliche Arbei- ten an Myzelmaterial gemeinsam etwa mithilfe einer Förderung zu pushen und die Kompetenzen zu bündeln«, sagt Vieres. »Myzel als Dämmstoff wurde beispielsweise bereits in dem Fraunhofer-Gesellschaft-Leitprojekt ›Bau DNS‹ bearbeitet.« Das hierbei entstandene, vom Fraun- hofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelte und vom Fraunhofer UMSICHT mit Myzel und Hanf ge- dämmte Solar-Fassadenmodul hatte auf der BAU 2025 in München großen Anklang gefunden. 36

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Vom Reststoff zum Schallabsorber Doch wie wird eigentlich aus Stroh, Sägespänen oder Altpapier ein fester Werkstoff? Der Prozess beginnt mit der Wahl des passenden Substrats. Infrage kommen die unterschiedlichsten lignozellulosehaltigen Reststoffe und nachwachsenden Rohstoffe: Holzspäne, Stroh, Alt- papier, aber auch Rohwolle und andere Fasern. Alles, was eigentlich nicht mehr gebraucht wird, dem Pilz aber gut schmeckt. Je nach gewünschter Materialeigenschaft mischt das Team mineralische Zusätze wie Vermiculit unter, etwa um den Brandschutz oder das Feuchtigkeits- verhalten zu verbessern. »Die Superkräfte der Pilze kann man viel weitreichender ein- setzen, als wir es heute schon tun.« Das Substrat wird zu- nächst angerührt, sterilisiert oder teilsterilisiert, damit sich später keine unerwünschten Konkurrenzorganismen breit- machen, und anschließend mit Pilzkulturen beimpft, et- wa als Flüssigkultur oder Kör- nerbrut. In Säcken oder For- men inkubiert das Substrat dann unter kontrollierten Be- dingungen, bis das Myzel es vollständig durchwachsen hat. Am Ende wird es in Form gebracht und bei höheren Temperaturen getrocknet. Die- ser letzte Schritt tötet das Myzel endgültig ab und stabi- lisiert das Material – aus einem lebendigen Organismus wird ein fester, formstabiler Werkstoff. Lina Vieres, Fraunhofer UMSICHT Im Projekt FungiFacturing®, das von 2019 bis 2021 lief, hat das Projektteam bereits mit dem Fraunhofer-In- stitut für Bauphysik IBP eine Reststoffpaste entwickelt, die mit einem Keramik-3D-Drucker in Form gebracht und vom Pilz durchwachsen werden kann. Im Inkubations- schrank durchdringt das Myzel das gedruckte Objekt, bis es steinhart geworden ist. Herausgekommen sind dabei vor allem Schallabsorber – Bauteile, die Räume akustisch beruhigen und dabei aus Sägespänen, Bier-Treber oder Stroh bestehen. Die Materialeigenschaften können sich sehen lassen: Myzelwerkstoffe sind oft leichter als klassische Baustoffe, lassen sich flexibel in Form bringen, sind druckfest und wirken sowohl thermisch als auch akustisch isolierend. In Tests erreichten sie eine ähnliche Wärmeleitfähigkeit wie herkömmliche Holzfaserdämmplatten – ein starkes Argument gegenüber konventionellen, erdölbasierten Dämmstoffen. Zwischen Faszination und Skepsis Dass Pilzwerkstoffe noch nicht in jedem Baumarkt ste- hen, liegt weniger an ihren Eigenschaften als an ihrer 3 | 26 Marktreife. Der Flaschenhals ist derzeit die Produktion: Erst kontinuierliche, automatisierte Prozesse machen My- zelmaterialien industriell und wirtschaftlich interessant. In Asien gibt es solche Verfahren bereits – sie könnten als Vorbild für Europa dienen. Auch die tendenziell eher konservative Baubranche macht eine schnelle Markteinführung herausfordernd, ebenso der niedrige Preis etablierter Konkurrenzproduk- te wie Styropor. »Wären neue Materialien und Forschungs- ansätze immer zugunsten bestehender, skalierter und damit kostengünstigerer Lösungen verworfen worden, wäre die Menschheit technisch wohl nicht sehr weit gekommen«, sagt Vieres. »Erst ein echtes Umdenken zu nachhaltigeren Baustoffen und deren ökonomischer Betrachtung über den gesamtem Lebenszyklus hinweg könnte die Pilz- dämmung bekannter machen.« Helfen würden auch größere Pilot- projekte, etwa eine mit Myzel ge- dämmte Hauswand, die über zehn Jahre unter realen Bedingungen be- obachtet wird – aufwendig, aber ver- trauensbildend. »Wünschenswert wä- re ein Reallabor, zum Beispiel ein Haus, in dem man Dämmstoffe und andere Pilzwerkstof- fe ausgiebig über einen langen Zeitraum beobachten kann«, sagt die Biologin. Passend hierzu hat die Deutsche For- schungsgemeinschaft DFG inzwischen den Sonderfor- schungsbereich MY-CO Build ins Leben gerufen für grund- lagenorientierte Forschung. Um Vorurteile abzubauen und Berührungsängste zu nehmen, setzt das Team auch auf Wissenschaftskommu- nikation. Im Projekt FungiFacturing®Art, gefördert vom Netzwerk für Wissenschaft, Kunst und Design (WKD) der Fraunhofer-Gesellschaft, entstehen modulare Ausstel- lungskonzepte, etwa ein kompakter Ausstellungskoffer, mit dem sich Myzelwerkstoffe anschaulich erklären las- sen. Wer das Material einmal in der Hand gehalten hat, versteht meist schnell, warum Lina Vieres so überzeugt von seinem Potenzial ist. Am Ende, sagt Vieres, gehe es um mehr als nur um einen neuen Dämmstoff: »Die Superkräfte der Pilze kann man viel weitreichender einsetzen, als wir es heute schon tun. Möglicherweise können diese Werkstoffe irgend- wann eine echte Alternative zu fossilen Rohstoffen dar- stellen, externe Materialabhängigkeiten reduzieren und dabei helfen, Reststoffe sinnvoll im Kreislauf zu halten.« Aus einer kleinen Nische im Mitmachlabor ist so eine Forschungsrichtung geworden, die weit über Dortmund hinausstrahlt – getragen von einem starken Team mit viel Leidenschaft und einem großen Netzwerk im Hin- tergrund. zurück zu Seite 1 37

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3 | 26 Humanoide Robotik 38

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3 | 26 Die neuen Kollegen Humanoide Roboter wie »Atlas« oder »Optimus« tanzen und schlagen Saltos. Doch um in Fabriken arbeiten zu können, brauchen sie leistungsfähigere Hardware – eine große Chance für die deutsche Fertigungsindustrie. Von Dr. Sonja Endres; Fotograf: Sven Döring Humanoide Unterstützung ist auf dem Weg: Vincent Bezold vom Fraunhofer IPA macht der Roboter-Revolution in den Produktionshallen Beine. zurück zu Seite 1 39

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3 | 26 Der kleine Helfer aus der Box: Um einsatzfähig zu werden, braucht er noch mensch liche Assistenz. 40

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3 | 26 Noch nicht ganz auf Augenhöhe: Roboter und Mensch. zurück zu Seite 1 41

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3 | 26 E in humanoider Roboter steigt eine Treppe hoch, nimmt eine Eurobox auf, setzt sie wieder ab. Das Entscheidende an die- ser Szene im Versuchsfeld des Fraunhofer- Instituts für Produktionstechnik und Au- tomatisierung IPA in Stuttgart sieht man nicht: Gelenktemperaturen, Wiederhol- genauigkeit, Rechenlast. »Beeindruckende Videos gibt es genug. Uns interessiert, was ein System über eine ganze Schicht hin- weg leistet – und was es dabei verbraucht«, sagt Johannes Frey, Robotikingenieur am Fraunhofer IPA. Gemeinsam mit seinen Kolleginnen und Kollegen analysiert er humanoide Roboter systematisch. Anders als klassische Industrieroboter, die fest an einem Ort installiert und für klar definierte Aufgaben programmiert sind, sollen humanoide Roboter vielseitig »Das sind alles für den Menschen einfache Aufgaben, die der Humanoide erst noch trainieren muss.« Johannes Frey, Fraunhofer IPA einsetzbar sein. Sie sind dafür geschaffen, in für Menschen bestimmten Umgebungen zu arbeiten, daher sind sie in Form und Aufbau dem menschlichen Körper nach- empfunden. Um sich fortzubewegen, nut- zen sie Beine oder eine mobile Plattform, für die Erfassung ihres Umfelds Sensoren. Neugierig wird jeder humanoide Neu- zugang zur Sammlung des Fraunhofer IPA beäugt, einsatzfähig gemacht und auf den institutseigenen Testparcours geschickt. Frey: »Das sind alles für den Menschen ein- fache Aufgaben, die der Humanoide erst noch trainieren muss.« Wenn der Roboter scheitert, macht sich Frey mit seinem Team 42 auf Fehlersuche – und wird häufig bei der Hardware fündig. Manchmal ist bereits die Verkabelung so mangelhaft, dass die Kontakte leicht verrutschen und es zu Feh- lermeldungen und Ausfällen kommt. Oft liefern die verbauten Sensoren nicht die erforderliche Datenqualität für eine prä- zise Umfelderkennung und Navigation. Auch sind viele Komponenten empfindlich und würden insbesondere einem dauer- haften Einsatz in der Industrie nicht lan- ge standhalten. Frey: »Unsere Testungen laufen zurzeit noch. Bisher gibt es kaum Erfahrungen mit humanoiden Helfern in Produktionshallen.« Das soll sich jedoch bald ändern. Seit März 2026 erprobt BMW den Einsatz von Humanoiden im Leipziger Werk. Auch Mer- cedes oder Siemens experimentieren be- reits mit den menschenähnlichen Robo- tern, die der KI einen Körper geben. Fabrikhallen gelten wegen der klar struk- turierten Arbeitsumgebung und der stan- dardisierten Prozesse als besonders geeig- netes Einsatzfeld. Humanoide sollen, so die Hoffnung, die Fertigung kostengüns- tiger machen und den prognostizierten Arbeitskräftemangel ausgleichen. Doch bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Die beeindruckenden chinesischen Tanzshows, in denen sich Humanoide per- fekt synchron im Rhythmus der Musik be- wegen, oder die akrobatischen Kunststücke von Boston Dynamics »Atlas« und Teslas »Optimus« lassen fast vergessen: Techno- logisch bleibt noch einiges zu tun, bis sie unsere Fabriken bevölkern können. Viele wichtige Bauteile wie Aktoren, Getriebe oder Sensoren erfüllen nicht die indust- riellen Anforderungen an Robustheit, Le- bensdauer und Kosten. Vincent Bezold, Leiter des Geschäftsbereichs Automatisier- te Fertigungssysteme am Fraunhofer IPA: »Neben der KI bestimmen vor allem die Hardwarekomponenten zurzeit die Fähig- keiten, Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit der humanoiden Hel- fer.« Das sei, so ist er überzeugt, eine große Chance für die zuletzt stark gebeutelte Autozuliefererindustrie und den deutschen Maschinenbau, die ihre Stärken in Präzi- sionsmechatronik, Systemintegration und industrieller Fertigungstechnologie voll ausspielen könnten. Warum nicht Antriebssysteme, Lager oder Getriebe für den Zukunftsmarkt hu- manoide Robotik herstellen statt für Autos? Branchengrößen wie Schaeffler oder Bosch haben den Markt bereits für sich entdeckt und sind in die Entwicklung und Produk- tion eingestiegen. Wie Komponentenher- steller durch die Umstellung ihrer Ferti- gung auf technische Bauelemente für Humanoide profitieren können, analysier- te Bezold gemeinsam mit Experten des Fraunhofer IPA und der Unternehmens- beratung P3, die 1996 aus dem Institut aus- gegründet wurde und auf Kunden aus der Automobil- und Fertigungsindustrie spe- zialisiert ist. Vor Kurzem veröffentlichten sie ihre Ergebnisse in einem Whitepaper. Bezold: »Seitdem rennen uns hier interes- sierte Firmen förmlich die Bude ein. Ich führe jeden Tag mehrere Gespräche.« In Workshops geben er und sein Team einen Überblick über den Markt, klären über den technologischen Stand, noch vorhandene Mängel und Engpässe auf und informieren über Kooperationsmöglichkeiten mit dem Fraunhofer IPA. Die sind vielfältig und rei- chen von einer Beratung darüber, wie die eigenen Produkte verändert werden müs- sen, um für den Robotik-Markt attraktiv zu sein, bis hin zur Integration und Tes- tung von Komponenten in den instituts- eigenen Humanoiden sowie gemeinsamen Forschungsprojekten. Gefragt sind vor allem Antriebe, die energieeffizient, klein und leicht sind, da- bei trotzdem leistungsstark und robust. 30 bis 50 Elektromotoren sind in der Regel in einem Humanoiden verbaut, um ihm eine menschenähnliche Beweglichkeit zu er- möglichen – Hände ausgenommen. Dabei müssen die Motoren wie Muskeln im Kör- per an unterschiedliche Anforderungen und Bauräume angepasst sein. Beine und Hüfte brauchen beispielsweise viel Kraft, um das Körpergewicht zu tragen und das Gleichgewicht zu halten. Für die Feinmo- torik reichen hingegen weniger leistungs- starke Motoren, die dafür aber eine sehr genaue Positionierung ermöglichen und besonders kompakt sein müssen. Tests mit

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humanoiden Robotern am Fraunhofer IPA zeigen, dass aktuelle Antriebssysteme er- heblich unter Verschleiß, ineffizienter Ener- gienutzung und Wärmeentwicklung leiden. Frey erklärt: »Die Motoren werden sehr heiß, weil sie je nach Körperhaltung und Anwendung hohe Kräfte auf engem Raum erzeugen müssen. Sie arbeiten ständig ge- gen die Schwerkraft, müssen das Gewicht des Roboters ausbalancieren. Dadurch ent- stehen hohe elektrische Ströme und viel Wärme.« Dabei bleibe nur wenig Platz für Kühlsysteme – eine von vielen Herausfor- derungen. Dr. Florian Weißhardt: »Die Nachfrage nach Antrieben für Humanoide ist in den vergangenen Monaten bei uns explodiert.« Der Robotik-Ingenieur und Head of Intel- ligence beim Motion-Control-Spezialisten Synapticon in Schönaich bei Stuttgart ent- wickelt gemeinsam mit dem Fraunhofer- IPA-Team Aktoren für Humanoide, die nicht nur den technischen Anforderungen gerecht werden, sondern auch eine siche- re Zusammenarbeit mit Menschen ermög- lichen sollen. Frey: »So ein Roboter kolla- biert ja, wenn man den Strom abschaltet. Dann fällt er unkontrolliert zu Boden und geht kaputt oder er stürzt im schlimmsten Fall auf einen Menschen und verletzt ihn.« Ein »Not-Aus«, also ein Unterbrechen der Energieversorgung, wie es bei festinstal- lierten Industrierobotern im Störfall üb- lich ist, ist daher keine Option. Im Projekt MARCH arbeiten das Fraun- hofer-IPA-Team und Synapticon deshalb daran, Humanoiden das kontrollierte Fal- len beizubringen. Dafür konstruierten Frey und sein Kollege Robert Mokry eigens den Hybrid-Humanoiden BiBiRob, dem Ober- körper, Kopf und Arme fehlen. Frey: »Für die Fallanalysen reichen uns ja die Beine.« Statt auf Füßen balanciert BiBiRob auf Rä- dern, was ihn energieeffizienter macht. Die Beinkinematik haben Frey und Mokry so gestaltet, dass durch die Ausle- gung des Massenschwerpunkts und die bewusste Einschränkung der Bewegungs- freiheit nur bestimmte Fallrichtungen möglich sind. Mit einem eigens entwickel- ten Bewegungscontroller lassen sich au- ßerdem die Geschwindigkeit und die Ak- Robert Mokry arbeitet am Fraunhofer IPA daran, Humanoide sicherer zu machen. tionsräume begrenzen sowie Kräfte und Beschleunigungen überwachen, um gra- vierenden Beschädigungen vorzubeugen. Kombiniert mit einem Aktor von Synap- ticon soll der Sturz des Humanoiden gezielt gesteuert werden können. Weißhardt: »Wir verwenden ein innovatives Feature, mit dem sich die Dämpfungseigenschaften je- des Motors genau einstellen lassen, sodass wir im Fehlerfall ein Bein weichschalten können und das andere hart. Der Huma- noid fällt dann entsprechend zur Seite.« Kombiniert mit einer sicheren Menschen- erkennung könne in einer Notsituation der Humanoid weggelenkt und eine Kollision vermieden werden. Mokry ergänzt: »Wenn Humanoide nur hinter Schutzzäunen be- trieben werden wie herkömmliche Indus- trieroboter, könnten wir ihre Stärken nicht nutzen – vor allem nicht ihre Mobilität und ihre hohe Flexibilität.« Bald wollen Weißhardt, Frey und Mo- kry erste Falltests in der Versuchshalle des Fraunhofer IPA machen. Damit BiBiRob nicht nach jedem Sturz repariert werden 3 | 26 muss, wird die Testumgebung mit Schaum- stoff gepolstert und der Roboter mit einem Seil gesichert. Sollte der Aktor mit dem Sicherheits- feature die Tests bestehen, ist Synapticon auf der Suche nach Partnern, die diesen, aber auch andere bereits entwickelte Pro- totypen in großer Stückzahl herstellen können. Weißhardt: »Bereits heute bekom- men wir Anfragen von Zulieferern aus der Automobilindustrie, die ihre Produktion umstellen wollen. Da ist jeder hochwill- kommen, denn die haben genau das Fer- tigungs-Know-how, das wir suchen.« Vie- le der europäischen und amerikanischen Humanoid-Hersteller bevorzugten zudem technologische Komponenten aus heimi- scher Produktion, um sich mit ihrer Zu- lieferkette unabhängig von China zu ma- chen. Leistungsfähige Hardware und Sicher- heit sind entscheidende Voraussetzungen dafür, Humanoide tatsächlich in die in- dustrielle Anwendung zu bringen. Damit es in den Fertigungshallen jedoch nicht bei einfachen Hol- und Bring- oder Greif- und Ablage-Aufgaben bleibt und sich die teuren menschenähnlichen Helfer lohnen, müssen vor allem die Roboterhände deut- lich manipulationsfertiger und feinfühliger werden. Immerhin sollen die technologisch ausgereiftesten Modelle wie der Atlas-Ro- boter bis zu 300 000 US-Dollar kosten – je nach Ausstattung und Einsatzszenario. Prof. Norbert Elkmann, Abteilungs- leiter Robotersysteme am Fraunhofer-In- stitut für Fabrikbetrieb und -automatisie- rung IFF in Magdeburg: »Die menschliche Hand ist einzigartig. Sobald sie ein Objekt erfasst, spürt sie sofort das Gewicht, die Oberflächenstruktur, die Temperatur. Un- glaublich viele Informationen werden über die Hände automatisch generiert. Das macht ihre Nachbildung so schwierig.« Gemeinsam mit seinem Team hat er taktile Sensoren entwickelt, die Roboter- hände empfindsamer machen. Sie bestehen aus piezoresistiven Polymerkompositen – einem speziellen Mix aus Kunststoff und weiteren Materialien, dessen elektrischer Widerstand sich bei Druck verändert. Je kräftiger die Polymerkomposite zusam- zurück zu Seite 1 43

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Anatomisches Wunderwerk: die menschliche Hand. In den empﬁndsamen Fingerkuppen beﬁnden sich besonders viele Tastrezeptoren. 3 | 26 mengedrückt werden, desto mehr Strom fließt. Damit der Sensor eine Ortsauflösung bekommt, befinden sich auf ihm viele klei- ne Messfelder. Elkmann: »Mithilfe einer von uns ebenfalls entwickelten Software, die diese Informationen auswertet, wissen wir immer genau, an welchem Kontakt- punkt im Greifer oder in der Roboterhand unser Objekt mit welcher Kraft anliegt. Dadurch können wir es so ausrichten, dass es sich beispielsweise in eine Maschine korrekt einlegen lässt.« Dabei erkennen die Sensoren auch, ob ein Objekt aus der Hand zu rutschen droht, sodass noch mal nachjustiert werden kann. Über die Ma- terialzusammensetzung können die For- schenden die Empfindsamkeit der Sensor- zellen steuern. Elkmann: »Wir haben auch schon Sensoren gebaut, bei denen ein Luft- zug ausreichend war, um ein Signal zu er- zeugen.« Im Unterschied zu herkömmli- chen Lösungen lassen sich die innovativen, robusten Sensoren aus dem Fraunhofer IFF problemlos biegen, ohne dass Fehlsi- gnale entstehen. Sie könnten daher auch in flexible Strukturen wie Handschuhe integriert werden, die man wie eine künst- liche Haut über Roboterhände zieht. Erste Gespräche mit Herstellern laufen bereits. Elkmann: »Damit haben wir die Basis ge- schaffen, um die haptischen Fähigkeiten des Menschen nachzuahmen. Trotzdem sind wir noch weit von der Fingerfertig- keit der menschlichen Hand entfernt.« Hier in die Entwicklung einzusteigen, lohnt sich, glauben auch die Autoren des Whitepapers aus dem Fraunhofer IPA und der Unternehmensberatung P3. Geschick- te Hände sind das Hardware-Element, das die Kosten eines humanoiden Roboters am stärksten beeinflusst. Mit 70 000 US-Dol- lar oder mehr muss man für ein Paar hoch- wertiger Roboterhände rechnen. In ihnen sind bis zu 20 Aktoren verbaut. Die Finger enthalten sehr kleine Motoren mit feinen Getrieben, die präzise, aber trotzdem kräf- tig sind und extreme Scherkräfte aushal- ten müssen. Der Bedarf an optimierten Antriebs-, aber auch an Sensor-, Struktur- und Energiekomponenten ist groß. Bezold: »Die Industrie muss jetzt schnell mit der Entwicklung und Produktion die- ser und weiterer Komponenten starten, um sich einen Platz in der Lieferkette zu si- chern.« Doch ohne deutsche Roboter-Her- steller werde man langfristig kaum Erfolg haben. Damit ein mit der Autoindustrie vergleichbares Zulieferer-Ökosystem wach- sen kann, brauche es Unternehmen wie »Die menschliche Hand ist einzig- artig. Sobald sie ein Objekt erfasst, spürt sie sofort das Gewicht, die Oberﬂächen- struktur, die Temperatur.« Prof. Norbert Elkmann, Fraunhofer IFF VW, BMW, Audi oder Mercedes. Zurzeit gibt es jedoch in Deutschland nur zwei größe- re Unternehmen, die Humanoide entwi- ckeln: Neura Robotics und Agile Robots. Mit dem »KI-Robotikbooster«, der Teil der sogenannten »Hightech Agenda« ist, will die Bundesregierung KI-basierte Ro- botik und Embodied AI aus Deutschland international wettbewerbsfähig machen. Für Forschung und Entwicklung stellt sie 100 Millionen Euro bereit. Das sei ein wich- tiger Schritt, werde jedoch allein nicht reichen, ist Bezold überzeugt. Der Fort- schritt in der humanoiden Robotik sei ra- sant. Gerade entscheide sich, ob Europa ein zentraler industrieller Akteur im Be- reich der humanoiden Hardware werde oder weiter hinter China und den USA zu- rückbleibe. Schon bald werden die Huma- noiden die Tanzshows verlassen und an Werkbänken ihre Aufgaben übernehmen. Bezold: » ›Time of Dancing is over‹, wie man im Englischen sagt.« 44

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3 | 26 Mit 70 000 US-Dollar oder mehr muss man für ein Paar hochwertiger Roboterhände rechnen. In ihnen sind bis zu 20 Aktoren verbaut. Prof. Norbert Elkmann vom Fraunhofer IFF hat taktile Sensoren entwickelt, die Robo- terhände feinfühliger machen und sich in Handschuhe integrie- ren lassen. zurück zu Seite 1 45

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3 | 26 Smarter Schwarm Im Team sind sie unschlagbar: zivile Drohnenschwärme, die zum Beispiel nach Überlebenden von Naturkatastrophen suchen. Bislang ist ihre Einsatzfähigkeit jedoch abhängig vom Mobilfunk. An einer resilienteren Koordination arbeiten Forschende in Erlangen. Von Yvonne Weiß Unterstützung aus der Luft: Im Schwarm teilen sich Drohnen ihre Aufgaben. 46 W ie ein Vogelschwarm durchkämmen die Drohnen die überfluteten Straßen, fahn- den als Formation nach Überlebenden des Hochwassers. Schneller als jedes Boot, ef- fizienter als jeder Helikopter. Erfasst eine der Droh- nen einen Menschen in Not, gibt sie die Information in Sekundenschnelle an die nächstgelegene Drohne weiter, bis sie über den Schwarm hinweg schließlich bei der Einsatzleitung landet – und Rettung naht. So könnten zivile Drohnen dank einer neuen Fraunhofer-Technologie künftig nach einer Natur- katastrophe zum Einsatz kommen – selbst wenn kri- tische Infrastruktur zerstört ist: »Wir entwickeln ein mobiles Ad-hoc-Mesh-Netzwerk, in dem mehrere Drohnen dezentral miteinander verbunden sind und etwa über Wi-Fi oder Bluetooth kommunizieren«, er- klärt Dr. Manuel Schrauth, Gruppenleiter im Bereich Kommunikationssysteme am Fraunhofer-Institut für Inte grierte Schaltungen IIS in Erlangen. »So können die Drohnen auch ohne Mobilfunk im Schwarm ar- beiten – ein entscheidender Vorteil, wenn man bedenkt, dass nur ein Bruchteil der gesamten Erdoberfläche über eine gute Mobilanbindung verfügt.« Immer auf Empfang – auch ohne Mobilfunk Bisher kommen zivile Drohnenschwärme noch kaum zum Einsatz: Da sie meist zentral gesteuert sind, läuft der Informationsaustausch im Schwarm bislang über einen einzigen Knotenpunkt – das Mobilfunknetz. Das Problem: Fällt ein Mobilfunkmast aus, etwa nach einer Naturkatastrophe, bricht die gesamte Kommu- nikation im Schwarm zusammen – und damit auch der Kontakt zur Leitstelle. Die neue Technologie funktioniert dagegen voll- ständig dezentral, das heißt ohne Mobilfunkanbin- dung. »Unser Mesh-Netzwerk ist so nicht nur weniger störanfällig, es eignet sich zudem für den Ultra-Low- Power-Bereich, also sehr kleine, leichte und energie- sparsame Drohnen«, erklärt Schrauth. Vergleichbare, hochdynamische Netzwerke existieren bislang nur im militärischen Bereich, weshalb sie teuer und aus- schließlich für große, schwere Drohnen geeignet sind. Zudem bestehen häufig starke Abhängigkeiten von außereuropäischen Herstellern.

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3 | 26 »Wir entwickeln ein mobiles Ad-hoc-Mesh-Netzwerk, in dem mehrere Drohnen dezentral miteinander verbunden sind.« Dr. Manuel Schrauth, Fraunhofer IIS Für das Mesh-Netzwerk entwickeln Manuel Schrauth und sein Team ein tabellenbasiertes System: Die einzelnen Drohnen, die jetzt als Knotenpunkte im Schwarm fungieren, senden in regelmäßigen Ab- ständen sogenannte Heartbeats aus. Vergleichbar ist das mit Bluetooth-Kopfhörern, die blinken, während sie nach kopplungsbereiten Geräten suchen und das Signal »Ich bin hier« aussenden. Kooperation in der Luft Haben sich zwei Knoten gegenseitig registriert, ver- vollständigen sie ihre jeweiligen Tabellen; darin halten sie fest, welche anderen Geräte wann und wo gesichtet wurden. Geschieht dieser Prozess alle paar Sekunden, lässt sich eine ausreichende Kenntnis über das gesamte Netzwerk aufbauen. Obwohl jeder einzelne Knoten lokal lediglich über unvollständige Informationen verfügt, kann sich ein Datenpaket so sukzessive ausbreiten. »Es hangelt sich also über mehrere Drohnen hinweg immer weiter bis zum Ziel, die nötigen Informationen werden ite- rativ zusammengebaut«, erklärt Manuel Schrauth. Für die Nutzerinnen und Nutzer soll sich der Vorgang später wie eine gewöhnliche Eins-zu-eins-Verbin- dung anfühlen. Grundlage für die Entwicklung äußerst energiespar- samer Ad-hoc-Mesh-Netzwerke war die GAIA-Initiati- ve: Mit einem interdisziplinären Konsortium arbeiteten Manuel Schrauth und sein Team an satellitengestützten Tiersendern für Geier in Namibia, die dezentral unter- einander kommunizieren können. Damit können For- scherteams das Verhalten der Tiere analysieren – und Rückschlüsse auf Umweltveränderungen ziehen. In der Praxis könnten dank der Innovation künftig mehrere Drohnen automatisch aus einem Koffer star- ten, im Mesh-Netzwerk die Reichweite des Schwarms erhöhen und ihre unterschiedlichen technischen Stär- ken nutzen, um etwa gemeinsam ein Lagebild anzu- fertigen. In einer Simulation konnten die Forschenden be- reits zeigen, dass die Innovation funktioniert, nun möchten sie diese auf kommerzielle Hardware über- tragen. Im Labor laufen aktuell Untersuchungen mit Bluetooth- und Wi-Fi-Geräten, die Daten über meh- rere Knoten hinweg verarbeiten. Einen Prototyp der Technologie präsentiert die Projektgruppe voraus- sichtlich kommendes Jahr. zurück zu Seite 1 47 a p d / o t o h P Z S / t r e g n u B h c i r d e i r F : o t o F

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Runter vom Flickenteppich Weniger Datensilos, mehr smarte Services und eine bessere Verwaltung für Städte und Regionen: Künstliche Intelligenz und Automatisierung tragen nur zur Entbürokratisierung bei, wenn sie klug in die Prozesse integriert werden. Von Beate Strobel 3 | 26 Alles ganz einfach? Der Weg in die digitale Verwaltung erfordert Flexibilität im Umgang mit Hindernissen. 48

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3 | 26 S traffen, vereinfachen, digita- lisieren: Der Abbau bürokra- tischer Hürden in Deutsch- land ist erklärtes Ziel der schwarz-roten Bundesregierung – und das aus gutem Grund: Nach einer ifo-Ma- nagement-Umfrage von 2024 beklagen 78 Prozent der Befragten das Tempo der öffentlichen Verwaltung als »schlecht« oder »sehr schlecht«. Den Verlust an Wirt- schaftsleistung beziffert das ifo Institut pro Jahr auf 146 Milliarden Euro. Doch nicht nur die Wirtschaft leidet. Die Digitalisierung in der Verwaltung hat Andrea Nahles, Chefin der Bundesagentur für Arbeit, als eine »riesige Umsetzungs- aufgabe« bezeichnet – und der Teufel stecke im Detail. Exemplarisch hat das Fraunho- fer-Institut für offene Kommunikations- systeme FOKUS in Berlin im Auftrag des Thinktanks Agora Digitale Transformation das Thema Wohngeldantrag untersucht. Der digitale Wohngeldantrag sei für Betrof- fene eine »mit Stress verbundene Erfah- rung«, bilanzieren Stefanie Hecht und Jana Plomin, die Autorinnen der Fraunhofer- Studie. Sie benennen drei Kernprobleme: fehlende Orientierungshilfen, unterschied- liche föderale Zuständigkeiten sowie Digi- talverfahren, die eher Verwirrung produ- zieren als dass sie den Prozess erleichtern. Ähnliches zeigte ein Projekt zur Digi- talisierung von Wohngeldanträgen des Fraunhofer-Instituts für System- und In- novationsforschung ISI. »Wir haben am Beispiel der Stadt Heilbronn eruiert, wie die Bearbeitung eines Wohngeldantrages aktuell abläuft und inwiefern sie sich durch Künstliche Intelligenz und robotergestütz- te Prozessautomatisierung vereinfachen und verkürzen ließe«, erklärt Projektleiter David Wurster. In Heilbronn, so das Ergebnis der Ana- lyse, geht der Großteil der Wohngeldan- träge (ca. 1700 in 2024) bislang per Post und damit in Papierform ein. Und das trotz der Option, diese Sozialleistung einge- scannt, per Mail oder komplett online über ein Service-Portal des Landes Baden-Würt- temberg zu beantragen. Die drei unter- schiedlichen Einfallstüren sind für Ver- waltungsmitarbeitende ein Problem: »Aufgrund der fehlenden Passung der ein- zelnen Systeme müssen alle Anträge – egal, ob digital oder analog eingereicht – hän- disch nachbearbeitet und letztendlich in Papierform abgelegt werden«, erklärt Wirt- schaftswissenschaftlerin Valerie Hübscher, die das Projekt zusammen mit ihrem Kol- Nach einer ifo- Management-Umfrage von 2024 beklagen 78 % der Befragten das Tempo der öffentlichen Verwaltung als »schlecht« oder »sehr schlecht«. legen David Wurster leitet. IT-Lösungen wie KI und robotergestützte Prozessauto- matisierung können hier n ur bedingt hel- fen. Wurster: »Ein Prozess wird durch den Einsatz neuer Technologien nur dann bes- ser, wenn diesem eine Prozessanalyse und -optimierung vorausgeht.« Dass Städte und Regionen aktuell mit einem Flickenteppich an organisch ge- wachsenen Systemen arbeiten, bei dem die Einzelteile nicht oder nur rudimentär miteinander verknüpft sind, bezeichnet auch Dr.-Ing. Alanus von Radecki als eine der Hauptherausforderungen auf dem Weg zur digitalen Verwaltung: »Nichts ist mo- mentan interoperabel«, urteilt der Sozio- loge und Ingenieur, der lange das Fraun- hofer-Innovationsnetzwerk Morgenstadt leitete. Brücken zwischen den vielen Insel- lösungen schlagen: Das möchte Alanus von Radecki mit dem Daten-Kompetenzzent- rum für Städte und Regionen (DKSR), einer Ausgründung des Fraunhofer-Instituts für Arbeitswirtschaft und Organisation IAO in Stuttgart. Das Ziel, das sich das DKSR gesetzt hat, gleicht einer Herkulesaufgabe: eine souveräne, interoperable und stan- dardisierte Dateninfrastruktur für Städte und Regionen aufzubauen – und das nicht nur innerhalb von Deutschland, sondern europaweit. Immerhin: Der potenzielle Gewinn ist ähnlich groß wie die Aufgabe. »Eine ein- heitliche Dateninfrastruktur würde die öffentliche Hand in die Lage versetzen, gu- te Lösungen zu adaptieren und umzuset- zen«, betont von Radecki. »Das Rad müss- te dann nicht in jeder Stadt oder Region neu erfunden werden.« Beim DKSR wurde dafür eine Open- Source-Plattform namens CIVORA ent- wickelt, mit der Kommunen die Datensät- ze aus den unterschiedlichsten Bereichen zusammenführen und für smarte Lösun- gen nutzen können. Bislang arbeiten rund 150 Städte, Landkreise, Gemeinden und Behörden mit CIVORA. Eine davon ist die nordrhein-westfälische Stadt Troisdorf mit knapp 75 000 Bürgerinnen und Bürgern in insgesamt 12 Stadtteilen. Der Weg zu einer echten Dateninfrastruktur Die Verwaltung war zunächst an das DKSR herangetreten mit der Idee, die dringend erwünschte Wiederbelebung der Innen- stadt datenbasiert anzugehen. Nach zwei- jähriger Zusammenarbeit verfügt die Kleinstadt nun durch Implementierung der CIVORA-Datenplattform über eine smarte Basis für die unterschiedlichsten Verwaltungsprozesse. Aus Datensilos form- te sich ein effektives und datensicheres Gesamtsystem: Fachämter können über die Plattform Daten hochladen, Zugriffs- rechte definieren und die Daten anderer Ämter nutzen oder automatisierte Berichte erstellen lassen – ein Quantensprung im Vergleich zur Zeit vor CIVORA. »Die digitale Daseinsvorsorge muss zur Pflichtaufgabe für Kommunen und stärker auf Bundes- oder Landesebene gefördert werden, damit Deutschland nicht den An- schluss verliert«, urteilt Alanus von Rade- cki. Nur so könnten digitale Lösungen ihre Wirkung entfalten, die Verwaltung entlas- ten und Budgets freisetzen – zum Wohl der Mitarbeitenden wie der Mitbürger. s e g a m i s u i t i r u a m / 1 6 d n e t s e W / z n e r e a B r e d n a e L : o t o F zurück zu Seite 1 49

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3 | 26 Den Ex aus dem Kopf Wenn Unternehmen in einer Kooperation gemeinsam Künstliche Intelligenz nutzen, aber ein Partner das Projekt verlässt, haben alle ein Problem: Wie lernt die KI zu vergessen? Fraunhofer-Forschende haben eine clevere Antwort gefunden: föderiertes Unlearning. Von Mehmet Toprak S ie würden ja gerne. Wenn es nur nicht so viele Risiken gä- be. Und so viele Fragen: Wie ist das zum Beispiel mit ...? Was passiert, wenn ...? Besteht nicht die Gefahr, dass ...? Solange diese Fragen of- fen sind, agieren viele Unternehmen in Deutschland noch zögerlich, wenn es da- rum geht, KI in gemeinsamen Projekten einzusetzen. Schließlich müssen sie dafür ihre wertvollen Unternehmensdaten in die Blackbox KI einspeisen. Antworten darauf finden sich in Dort- mund – bei den Forscherinnen und For- schern des Fraunhofer-Instituts für Soft- ware- und Systemtechnik ISST. Und sie belassen es nicht bei klugen Ratschlägen. Sie haben Tools entwickelt, mit denen der Einstieg in KI sicher und problemlos ge- lingt. Bei ihrem Forschungsvorhaben ha- ben sie mit dem Industriepartner Fujitsu Research zusammengearbeitet. Anwendungsszenarien für KI-gestütz- te Kooperationen haben längst die Praxis erreicht. Nutzen beispielsweise mehrere Partner das gleiche Modell einer Fräsma- schine, aber auf unterschiedliche Weise, so fließen auch unterschiedliche Daten in das KI-Training ein. Ein Partner steuert Daten bei, wann der Motor versagt, ein an- derer, wann der Fräskopf bricht. Vom ge- meinsamen Wissen profitieren alle Betei- ligten. »Wenn die Partner ihre eigenen Daten in die KI einspeisen, um das Lear- ning in Gang zu bringen, befürchten sie, dass sie die Kontrolle über ihre Daten auf- geben«, weiß Florian Zimmer, Forscher am Fraunhofer ISST. »Wir begegnen dem mit einem dezentralisierten KI-Netzwerk. Je- der Partner behält die volle Souveränität über seine Daten. Keiner kann die Daten der anderen kontrollieren.« Damit ist eine Sorge genommen. Aber was passiert, wenn ein Partner das Ge- meinschaftsprojekt verlässt, nachdem die KI bereits mit den Daten aller Beteiligten gefüttert wurde? Wie kann das Unterneh- men, das die Kooperation verlassen möch- te, sicherstellen, dass die anderen nicht mit den eigenen Daten weiterarbeiten? Und wie können die verbleibenden Firmen sicher- stellen, dass die KI weiterhin präzise Er- gebnisse liefert, obwohl die Daten des Ex- Partners noch im System umhergeistern? Föderiertes Unlearning Die Fraunhofer-Forschenden haben ge- meinsam mit Fujitsu Research das Kon- 50

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3 | 26 »Jeder Partner behält die volle Souveränität über seine Daten. Keiner kann die Daten des anderen kontrollieren.« Florian Zimmer, Fraunhofer ISST zept des föderierten Unlearnings entwi- ckelt. »Unlearning« bedeutet, dass alle Lernschritte, die auf den Daten des zu entfernenden Partners basieren, zurück- genommen, also verlernt werden. »Wir ge- hen in der KI-Historie bis zu dem Punkt zurück, an dem das betreffende Unter- nehmen in das Projekt eingestiegen ist. Genau an diesem Punkt setzt dann der Lernprozess wieder neu ein, diesmal ohne die Daten des Ex-Partners«, sagt Janosch Haber von Fujitsu Research. Möglich wird das, weil beim Training der KI jeder Schritt dokumentiert ist. Da- mit registriert das System auch, wann die einzelnen Firmen in das Projekt eingestie- gen sind. Die Lernhistorie speichert zusätzlich, welche Wege und Iterationen das Lernmo- dell der KI eingeschlagen hat. Diese Infor- mationen über den Lernverlauf helfen, einen erneuten Lernfortgang zu rekalib- rieren. Den Vorteil für Unternehmen nennt Zimmer: »So arbeitet das Training fast dop- pelt so schnell wie ohne Kalibrierung.« Für den Ausstieg aus einem Gemein- schaftsprojekt kann es viele Gründe geben: Strategieänderungen oder neue Daten- schutzregelungen für einen Partner in einem internationalen Projekt sind nur zwei davon. Der Albtraum von Unterneh- men ist das Model Poisoning. Dabei speist ein Partner versehentlich oder absichtlich falsche Daten in das Lernmodell der KI ein. Im schlimmsten Fall werden die Er- gebnisse der KI dadurch unbrauchbar. Auch darauf zielt die Fraunhofer-Lösung. Zimmer: »Unsere Tools sind in erster Linie nicht dafür gedacht, bestehende Probleme zu lösen, sondern dafür, Unternehmen für zukünftige Projekte und alle Eventuali- täten zu rüsten.« Nach einer Erhebung des Branchen- verbands Bitkom nutzen aktuell nur 38 Prozent der Unternehmen mit 20 bis 99 Beschäftigten eine KI. Bei Gemeinschafts- projekten dürften die Zahlen noch deutlich niedriger sein. Mit Konzepten wie dem de- zentralen KI-Netzwerk, dem gezielten Un- learning und der Rekalibrierung könnte die KI-Nutzung in Gemeinschaftsprojekten einen deutlichen Schub erhalten. Es gibt eine Alternative. Die klingt so- gar recht verlockend: abwarten, bis sich die Lage geklärt hat, und den Hype um KI ignorieren. Doch Zimmer und Haber sind überzeugt: »Damit würden Unternehmen im Wettbewerb hoffnungslos ins Hinter- treffen geraten. Auf KI zu verzichten ist heute keine Option mehr.« zurück zu Seite 1 51 Die Zusammenarbeit von Unternehmen erleichtern: Jetzt lernt die KI das Verlernen. a p d / y c n e g A s i w e N a u h n X / u q g n o D u O : o t o F

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3 | 26 Rakete aus dem Printer Wie sich Raketenbauteile schneller und einfacher herstellen lassen, haben Forschende am Fraunhofer IGCV herausgefunden – und erschließen damit ganz neue Sphären. Von Laura Rottensteiner-Wick D er Weg ins All ist teuer, aber für Europa notwendig, um sich einen unabhängigen Zugang zu sichern. Ein europäisches For- schungskonsortium will die Kosten jetzt deutlich senken. Im Projekt ENLIGHTEN-ED entwi- ckeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler innovative Fertigungstechnologien für Raketenkom- ponenten, die flexibler und günstiger sind als her- kömmliche Lösungen. Es wird von der ArianeGroup koordiniert und vereint 18 Partner aus ganz Europa. Mit dabei ist auch das Fraunhofer-Institut für Gie- ßerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV in Augsburg. Dort arbeitet Maschinenbauingenieur Constantin Jugert mit seinem Team an einer Techno- logie, die ganz neue Chancen bietet: den Multimate- rial-3D-Druck von Metallbauteilen. Zwei Metalle, ein Bauteil »Die Vorstellung, dass man von der Erde aus in den Weltraum fliegen und das All erforschen kann, hat mich schon immer fasziniert«, erzählt Jugert. Im Zen- trum seiner Weltraumforschung steht ein spezielles additives Fertigungsverfahren: das Multimaterial- Laserstrahlschmelzen. Dabei werden Metallpulver schichtweise mit einem Laser aufgeschmolzen und zu komplexen Bauteilen aufgebaut. Anders als beim konventionellen 3D-Druck nutzt das Verfahren nicht nur einen Werkstoff, sondern mehrere Metalle. »Wir können innerhalb einer Schicht zwei verschiedene Werkstoffe verarbeiten und diese dreidimensional im Bauteil verteilen«, erklärt Jugert. »Dadurch eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten bei der Konstruktion technischer Komponenten.« Ein Ventil für die Ariane von morgen Während im ersten Projektabschnitt ENLIGHTEN vor allem die technische Machbarkeit neuer Ferti- gungsverfahren untersucht wurde, geht es im aktu- ellen Nachfolgeprojekt ENLIGHTEN-ED bereits um konkrete Anwendungen. Die Augsburger Forschenden konzentrieren sich dabei auf ein Magnetventil für zukünftige Ariane- Antriebe. Mehr als die Hälfte der Kosten einer Träger- rakete entfällt auf ihre Antriebssysteme, die Suche nach günstigeren Fertigungsmethoden liegt also na- he. Das spezielle Bauteil besteht aus abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen Stahllegierun- gen und übernimmt wichtige Funktionen bei der Steuerung von Fluiden und der Lageregelung einer Rakete. »Das Ventil wird auch in der konventionellen Fertigung aus zwei verschiedenen Metallen herge- stellt«, sagt Jugert. »Allerdings werden die einzelnen Bereiche hier zunächst separat gefertigt und anschlie- ßend mit einem Elektronenstrahl verschweißt.« Die additive Fertigung eröffnet neue Freiheiten. Statt einzelne Komponenten zusammenzufügen, kön- nen die Werkstoffe direkt während des Druckprozes- ses an den gewünschten Stellen eingebracht werden. »Mit unserem Verfahren können wir Bauteile erzeu- gen, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden kaum realisierbar sind«, erklärt Jugert. »Wenn sich Anforderungen ändern, können wir Komponenten direkt am Rechner anpassen und mit geringer Vor- laufzeit drucken. Das spart Wochen in der Entwick- lung.« Erste Demonstratoren wurden bereits erfolg- reich hergestellt. Wenn Metalle sich nicht vertragen Allerdings lässt sich nicht jede Materialkombination problemlos verbinden. Titan- und Nickellegierungen bilden etwa beim Verschmelzen spröde intermetal- lische Phasen, die zu Rissen führen können. Die Lö- sung: eine zusätzliche Zwischenschicht aus Molyb- dän. Sie verhindert den direkten Kontakt der beiden Legierungen und wirkt gewissermaßen als Vermittler 52

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3 | 26 »Wir können inner- halb einer Schicht zwei verschiedene Werkstoffe verar- beiten und diese dreidimensional im Bauteil verteilen.« Constantin Jugert, Fraunhofer IGCV Ein additiv hergestellter Wärmetauscher kühlt im Vakuum des Weltraums unter anderem Elektronik. zwischen den Werkstoffen. »Das ist ein bisschen wie bei zwei Menschen, die sich nicht verstehen«, sagt Ju- gert. »Dann hilft manchmal eine vermittelnde Person dazwischen. Genau diese Rolle übernimmt die Zwi- schenschicht.« Die erfolgreiche Herstellung solcher stoffschlüssigen Materialübergänge ist ein wichtiger Schritt für zukünftige Leichtbau- und Hochleistungs- anwendungen in der Raumfahrt. Werkstoffe lassen sich wiederverwerten Ein weiterer Schwerpunkt der Forschung liegt auf der Wiederverwendung der Metallpulver. Da sich die ver- schiedenen Werkstoffe während des Druckprozesses vermischen, entwickeln die Forschenden Verfahren zur automatischen Trennung und Aufbereitung der Pulver. »Das Pulver sollte natürlich kein Abfall sein«, sagt Jugert. Schon jetzt können die Forschenden die verschiedenen Pulverwerkstoffe im Prozess sortieren und wiederverwenden. »Wenn es die Eigenschaften zulassen, verwenden wir dafür magnetische Ver- fahren. Ansonsten können wir das Pulver auch in mehreren Siebstufen sortieren«, so Jugert. »Weite- re Verfahren sind momentan in der Entwicklung.« Langfristig sollen zudem Sensorik und Echtzeitüber- wachung den Druckprozess zusätzlich absichern. Thermografiekameras und intelligente Regelalgo- rithmen könnten künftig jede einzelne Schicht über- wachen, automatisch auf Abweichungen reagieren – und so der Technologie den Weg in die industrielle Serienfertigung ebnen. V C G I r e f o h n u a r F , A S E / E C A P S E N A R A I Teile der kostspieligen Antriebssysteme von Trägerraketen, wie hier der Ariane 6, könnten in Zukunft einfach gedruckt werden. zurück zu Seite 1 53 S E N C / G S C u d o é d i v e u q i t p O / c u d e L . T : s o t o F

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3 | 26 Besser geschützt im Brandfall Ist eine Solaranlage auf dem Dach, steht häufig auch ein Batteriespeicher im Keller. Im Falle eines Hausbrands ist das gefährlich. Ein neues Sensorsystem des Fraunhofer ICT bringt mehr Sicherheit. Von Dr. Sonja Endres »Die Sensoren sind in das WLAN des Hauses einge- bunden und laden ihre Daten auf eine Website hoch, auf die die Feuerwehr zugreifen kann.« Sebastian Geiger, Fraunhofer ICT 54 Explosionen, Stichﬂammen, giftige Dämpfe: Bei einem Hausbrand wissen Feuer- wehrleute häuﬁg nicht genau, was sie erwartet.

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3 | 26 Ü berhitzt sich bei einem Haus- brand der Heimspeicher, kann es schnell explosiv werden: Der elektrisch leitfähige, f lüssige Elektrolyt – in Heimspeichern in der Regel ein Gemisch aus verschiedenen organischen Carbonaten und Lithiumsalz – verdampft und entweicht in die Raumluft. Ein Funke, eine elektrostatische Entladung oder die Wärme der Batteriezellen kann ausreichen, um die leicht brennbaren, teilweise giftigen Gase zu entzünden. Sebastian Geiger, Sensorsystem- techniker am Fraunhofer-Institut für Che- mische Technologie ICT: »Häufig wissen die anrückenden Einsatzkräfte nicht, dass sich in dem Brandhaus ein Heimspeicher befindet, geschweige denn, hinter welcher Tür er sich verbirgt oder in welchem Zustand er ist.« Al- lein das Öffnen der Tür kann zur Zündung des gefährlichen Luft-Gas-Gemisches führen – ein erhebliches Sicherheitsrisiko für Feuerwehr- leute, Hausbewohner und -bewohnerinnen. Hier wollen Geiger und sein Team Abhilfe schaffen: In Kooperation mit der Feuerwehr Dortmund und der Vereinigung zur Förderung des Deutschen Brandschutzes e. V. haben sie das Sensorsystem SEKUR entwickelt, das re- levante Parameter wie Temperatur oder Gas- konzentrationen am Heimspeicher kontinu- ierlich misst und sie im Brandfall zusammen mit einer Standortinformation den Einsatz- kräften zur Verfügung stellt. Geiger: »Die Sen- soren sind in das WLAN des Hauses eingebun- den und laden ihre Daten auf eine Website hoch, auf die die Feuerwehr zugreifen kann.« So können die Einsatzkräfte die Lage schnell und präzise einschätzen und ihr Vorgehen auf die Gefahrensituation abstimmen. Gleichzei- tig meldet SEKUR auch vor Ort mithilfe einer LED-Farbampel, wie man sie von Raumluft- Messgeräten kennt, dass etwas nicht stimmt. Bei akutem Risiko ertönt ein Warnsignal. Das System sieht aus wie ein herkömm- licher Rauchmelder, wird jedoch nicht an der Zimmerdecke, sondern direkt auf dem Heim- speicher befestigt. In dem Gehäuse aus feuer- resistentem Harz finden elf Sensormodule Platz, die ringförmig angeordnet sind, sich einfach hineinstecken und bei Bedarf austau- schen lassen. Sie messen die Konzentration von hochbrennbarem und explosionsfähigen Wasserstoff sowie Kohlenwasserstoffen, die bei der Zersetzung des Elektrolyten – abhän- gig von Temperatur, Sauerstoffangebot und Zellzustand – in unterschiedlichen Mengen entstehen. Außerdem detektieren sie hoch- giftiges Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und die Sauerstoffkonzentration im Raum sowie die Temperatur. Im Praxistest bereits bewährt Für die Messungen nutzen Geiger und sein Team neben elektrochemischen Sensoren auch einen speziellen fotoakustischen Sensor. Geiger: »Er ›hört‹ quasi die Schwingungen des CO2-Moleküls, das mithilfe von LED-Licht an- geregt wird. Die Stärke des dabei entstehenden akustischen Signals wird von winzigen Mikro- fonen aufgezeichnet und erlaubt Rückschlüs- se auf die CO₂-Konzentration in der Luft.« Der Vorteil gegenüber einem Infrarot-Sensor, mit dem sich CO2 ebenfalls messen ließe: Der foto- akustische Sensor ist wesentlich kleiner und kostengünstiger. Insgesamt hat das System einen Durchmesser von nur neun Zentime- tern. Der Prototyp kostet rund 100 Euro. Auch im Praxistest hat sich SEKUR bereits bewährt: Auf einem Testgelände der Bundes- anstalt für Materialforschung und -prüfung BAM in Brandenburg simulierten die Forsche- rinnen und Forscher mithilfe von starken Heiz- platten einen Brand an einem Heimspeicher in einem frei stehenden Container. Geiger: »Wir haben dem Speicher über anderthalb Stunden ganz schön eingeheizt. Das komplette Elek- trolyt ist verdampft. In dem Container gab es so eine starke Rauchentwicklung, dass man nichts mehr gesehen hat.« Während dieser ganzen Zeit lieferte SEKUR, das am Heimspei- cher befestigt war, zuverlässig Messdaten. »Das System funktioniert immer noch. Ich hab’s drüben im Labor. Allerdings stinkt es jetzt ein bisschen«, sagt Geiger und lacht. Vor Kurzem präsentierte er SEKUR erstmals auf einer Fachtagung Experten und Expertin- nen aus Industrie, Forschung und Behörden – mit überwältigender Resonanz. Geiger: »Ich hätte direkt vor Ort ein paar Geräte verkaufen können. So macht Forschung Spaß!« zurück zu Seite 1 55 a p d / s e g a m i - w n o / w o k a j l p e h c s T n o s a J : o t o F

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3 | 26 Sildenafil ist bereits für Säuglinge mit Lungen- hochdruck zugelassen und gilt daher als sicher. Mit Viagra Leben retten Fraunhofer-Forschende haben einen Wirkstoff gegen das Leigh-Syndrom entdeckt – eine seltene Stoffwechselerkrankung, die oft bereits im Säuglingsalter beginnt und nach zwei bis drei Jahren tödlich endet: Sildenafil, besser bekannt als Viagra. Von Dr. Janine van Ackeren F ür Menschen, die an einer Seltenen Er- krankung leiden, bleibt der Gang in die Apotheke meist vergeblich. Häufig lassen sich nur die Symptome medikamentös lindern, heilende Wirkstoffe gibt es kaum. Nach eu- ropäischer Klassifikation gelten Erkrankungen als selten, wenn weniger als 5 von 10 000 Menschen be- troffen sind. Trotz dieser kleinen Zahlen ist der The- rapiebedarf hoch: Schließlich gibt es mehr als 6000 unterschiedliche Seltene Erkrankungen, in der EU geht man von ca. 30 Millionen Betroffenen aus. »Da pro Krankheit jedoch oftmals nur einige Dutzend oder einige hundert Patientinnen und Patienten be- troffen sind – weltweit wohlgemerkt –, lohnt sich eine teure und aufwendige Wirkstoffentwicklung für die Pharmakonzerne nicht«, erklärt Dr. Ole Pless, For- schungsgruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Translationale Medizin und Pharmakologie ITMP. Schließlich dauert die Entwicklung eines Medika- ments in der Regel 10 bis 15 Jahre und verschlingt rund 2 Milliarden Euro. Die Apotheke der Welt im Kühlschrank Am Fraunhofer ITMP keimt jedoch Hoffnung: Pless und sein Team haben es sich zur Aufgabe gemacht, Wirkstoffe für Seltene Erkrankungen zu identifizie- ren. Dazu arbeiten sie sich durch eine riesige Biblio- thek. Bücher allerdings sucht man darin vergeblich, vielmehr handelt es sich um eine Sammlung von Mo- lekülen. »Die Fraunhofer Drug Repurposing Biblio- thek enthält alle bereits zugelassenen Wirkstoffe der Welt – knapp 6000 – sowie die Kandidaten, die noch klinisch getestet werden. Wir haben also die Apotheke der Welt in unserem Kühlschrank«, schmunzelt Pless. Diese durchkämmen die Forschenden nach einem Es gibt mehr als 6000 unter- schiedliche Seltene Erkrankungen 56

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3 | 26 Für jede der 6000 Substanzen wurden mehrere mikros- kopische Aufnahmen erstellt. Insgesamt sind auf diese Weise rund 50 000 Bilder zusammen- gekommen. sogenannten »Hit«, einem vielversprechenden Treffer. »Zwar ist unser Ansatz verglichen mit dem klassischen Screening, bei dem Hunderttausende gänzlich un- bekannte Substanzen getestet werden, schon sehr fo- kussiert, dennoch gleicht er der Suche nach der Nadel im Heuhaufen – nur wenige Substanzen zeigen eine Wirkung«, beschreibt er. Allem Aufwand zum Trotz: Die Nutzung bereits zugelassener Wirkstoffe im Scree- ning lässt den Prozess der Medikamentenentwicklung deutlich schneller und kostengünstiger werden. Nervenzellen mit Leigh-Syndrom-Mutation als Modell Einen aussichtsreichen Kandidaten hat das Team auf diese Weise bereits ausfindig gemacht. Er wirkt gegen das Leigh-Syndrom, eine schwere Stoffwechselerkran- kung, die mit einem Fall je 36 000 Lebendgeburten zu den Seltenen Erkrankungen zählt. Üblicherweise tritt sie bereits im Säuglings- oder frühen Kindesalter auf und geht mit einer Schädigung des Gehirns und Nervensystems einher. Für die kleinen Patientinnen und Patienten heißt das: Ihre geistige Entwicklung ist gestört, epileptische Anfälle sind möglich, die Mus- keln sind schwach, der Atemantrieb kann versagen. Die meisten betroffenen Kinder versterben vor dem dritten Lebensjahr. Der Hoffnungsträger, den die For- schenden im Screening entdeckten: Sildenafil, besser bekannt unter dem Namen Viagra. Um zu überprüfen, wie gut Sildenafil bei der Er- krankung anschlägt, braucht es ein Modellsystem, das die Krankheit möglichst gut repräsentiert und es erlaubt, Wirkstoffe realitätsnah zu testen. Einem Team an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf gelang es, ein solches Modell für das Leigh-Syndrom zu fer- tigen. Dafür entnahmen sie 16 betroffenen Patientin- nen und Patienten mit einer Stanze Hautzellen, war- fen diese quasi in einen »Jungbrunnen« und stellten daraus pluripotente Stammzellen her. Das Besondere: Diese Zellen können in alle möglichen Zelltypen des Körpers ausdifferenzieren, etwa in Herzmuskel- oder Gefäßzellen. Die Fraunhofer-Forschenden haben die Düssel- dorfer Stammzellen in Vorläufer von Nervenzellen verwandelt – also in kleine dreidimensionale Model- le von Gehirngewebe. »Auf diese Weise hatten wir in der Zellkulturschale das bestmögliche Modell dieser Krankheit, weil es direkt von den Patienten abgeleitet ist«, begeistert sich Pless. Die Zellen in den Untersu- chungsbehältern repräsentieren bestimmte Krank- heitseigenschaften der Patienten. Mit dem Modellsys- tem führte das Team ein Screening aller bekannten Wirkstoffe durch. Wie verhalten sich die Mitochond- rien, die Kraftwerke der Zellen, bei Zugabe der ver- schiedenen Wirkstoffe? Reguliert sich die Zellatmung, die beim Leigh-Syndrom erhöht ist? Dank eines Farb- stoffs, der über die Zellatmung in die Mitochondrien eingelagert wird, lassen sich diese Fragen per Hoch- durchsatzmikroskop beantworten: Nimmt die Farbe ab, wirkt der Wirkstoff. Für seine Untersuchungen musste das Forschungs- team die 6000 Substanzen aus der Fraunhofer-ITMP- Wirkstoff-Bibliothek auf die Zellen geben und mikro- skopisch analysieren, was bei lebenden, atmenden Zellen nicht ganz einfach ist. Dennoch ist der »Zeit- fresser« nicht das Screening selbst, sondern die Stan- dardisierung. Schließlich ist es elementar, reprodu- zierbare Ergebnisse zu erhalten. Befinden sich immer gleich viele Zellen in den Vertiefungen der Untersu- chungsbehälter? Wie lange und bei welcher Konzen- tration gibt man den Wirkstoff darauf? Bevor der Pro- zess automatisiert werden konnte, musste daher jeder einzelne Schritt manuell erprobt und genau definiert werden. Erst später war etwa das Wechseln der Nähr- medien oder die Zugabe der einzelnen Wirkstoffe per Roboterhand möglich. Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt lag in der Bild- auswertung: Für jede der 6000 Substanzen wurden mehrere mikroskopische Aufnahmen erstellt. Insge- samt sind auf diese Weise rund 50 000 Bilder zusam- mengekommen – eine Menge, die sich nicht mehr per Hand bewältigen lässt. Das Forschungsteam nutzte daher automatisierte Bildanalyseverfahren. »Diese Daten sind ein riesiger Wissensschatz«, freut sich Pless. Erste Heilerfolge lassen hoffen Da Sildenafil bereits für Säuglinge mit einer speziellen Lungenerkrankung zugelassen ist, gilt seine Gabe an Kinder als sicher. Deshalb konnten schon erste Heil- versuche bei kleinen Patientinnen und Patienten statt- finden, die stark am Leigh-Syndrom erkrankt waren und für die es keinerlei Behandlungsmöglichkeit gab – mit Erfolg. Pless: »Insgesamt wurden bisher sechs Kinder mit Sildenafil therapiert: Sie alle haben kli- nisch davon profitiert – es ging ihnen zum Teil deut- lich besser mit dem Wirkstoff.« So positiv diese einzelnen Heilversuche stimmen, aus der kleinen Anzahl an Probandinnen und Pro- banden lässt sich lediglich eine Tendenz ablesen. Im nächsten Schritt braucht es eine klinische Studie, die ab Ende 2026 geplant ist. Da Sildenafil bereits als Wirk- stoff zugelassen ist, steht nur eine Wirksamkeitsstudie an, also die Beantwortung der Frage: Ist das Medika- ment beim Leigh-Syndrom wirksamer als ein Placebo? Zeigt es innerhalb der zweijährigen Studie auch in einer größeren Kohorte eine gute Wirksamkeit, sind die Chancen gut, dass die Apotheken für Patientinnen und Patienten mit Leigh-Syndrom künftig einen pas- senden Wirkstoff bereithalten. zurück zu Seite 1 57 e n i l n O 1 F / y s k c o t S / s e r r o T r o t c i V : o t o F

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3 | 26 Nachhaltig verpackt Jedes Jahr werden weltweit rund 400 Millionen Tonnen Plastik produziert, ein Großteil landet als Müll in der Umwelt – mit katastrophalen Folgen. Wie Insektenhäute und Reststoffe aus der Pilzverarbeitung helfen können. Von Dr. Janine van Ackeren Die Raubﬂiege hat nicht nur einen chitinhaltigen Panzer, sondern auch starke dornige Beine, mit denen sie ihre Beute festhält. 58

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G reift man im Supermarkt zu Käseaufschnitt, Wurstwaren, Obst oder Gemüse, sind diese oft in Folien auf Erdölbasis verpackt. Dabei ginge es auch deutlich nachhaltiger und umweltfreundlicher: mit Folien hergestellt aus Krabbenschalen, Insektenpanzern oder Pilzmyzel. Nicht direkt natürlich – wer möchte schließ- lich seine Lebensmittel in Insektenhäute einwickeln –, sondern aus Chitosan, das aus diesen chitinhaltigen »Rohstoffen« gewonnen wird. »Chitin wird vor allem von Krustentieren, Insekten und Pilzen gebildet und ist – nach der pflanzlichen Cellulose – das zweithäufigste Biopolymer der Erde. So fällt es beispielsweise in der Lebensmittelindustrie und der Tierfutter- produktion in großen Mengen als Reststoff an«, erklärt Dr.-Ing. Thomas Hahn vom Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB. »Kommerziell genutzt wird bisher fast ausschließlich das Chitin aus Krabbenschalen, hier liegt der Markt fest in asiatischer Hand. Auch hat Deutschland abgesehen von kleineren Mengen an Krabbenschalen keinen son- derlich guten Zugang zu marinen Quellen – da können wir nicht konkurrieren.« Bei Insekten und Pilzen jedoch bestehe noch viel Potenzial für »Made in Germany«. Werden diese für die Chitosan-Herstel- lung erschlossen, senkt dies nicht nur die Abhängigkeit von asiatischen Anbietern, sondern ebnet auch den Weg hin zu nach- haltigen, erdölfreien Verpackungen. Insektenpanzer und Pilzmyzel statt Krabbenschalen Allerdings lassen sich die Prozesse, die von der Chitosanherstellung aus Fische- reiabfällen bekannt sind, nicht ohne Wei- teres auf Pilze und Insekten übertragen. Vielmehr müssen die Produktionsverfah- ren angepasst und mitunter gänzlich neu gedacht werden. Dieser Aufgabe widmen sich die Forschenden des Fraunhofer IGB rund um Hahn. Auf dem Weg vom Flie- genkörper zum Chitosan sind zahlreiche Schritte nötig. Zunächst müssen Minera- lien aus Calcium- und Magnesiumsalzen mit Säure aus der Biomasse gelöst und über eine Fest-Flüssig-Trennung extra- hiert werden. Dies lässt den Chitingehalt von etwa 20 auf rund 50 Prozent steigen. Ein anschließender Waschgang mit Was- ser neutralisiert den pH-Wert, bevor die Proteine mit Lauge entfernt werden. Übrig bleibt eine Masse, die zu 80 bis 95 Prozent aus Chitin besteht. Bei Insekten sind sowohl die Häute als auch die Kokons chitinhaltig, ebenso adul- te Fliegen als Ganzes. »Bei manchen dieser Reststoffe ist es vorteilhafter, die Reihen- folge der Prozessschritte zu ändern – also zuerst die Lauge und anschließend die Säure zuzugeben«, erläutert Hahn. »Wir haben einen Baukasten an Verfahrens- schritten, die wir entsprechend anpassen.« Ist das erhaltene Chitin noch zu dunkel, kommt ein Bleichschritt hinzu, etwa mit Wasserstoffperoxid, bevor das Chitin bei 140 Grad Celsius mit 40- bis 50-prozenti- ger Natronlauge in das gewünschte Chi- tosan umgewandelt wird – der kritischste Schritt im ganzen Prozess. »Wir konnten das gesamte Herstellungsverfahren für al- le drei Chitinquellen – Insekten, Pilzmyzel und auch Fischereiabfälle – bereits im Pi- lotmaßstab durchführen und mehrere hundert Gramm Chitosan auf einmal her- stellen. Auch eine Skalierung auf Kilomaß- stab ist möglich«, begeistert sich Hahn. Sollen die Prozesse an andere Aus- gangsmaterialien wie Insektenpanzer oder Pilzmyzel angepasst werden, ist eine ent- sprechende Analytik unerlässlich – hier lag die wesentliche Herausforderung für das Forschungsteam. Welche Stoffe sind zu welchem Zeitpunkt enthalten? Wie hoch ist der Chitingehalt? »Wir haben eine schnelle, präzise Analytik entwickelt, mit der wir die komplette Biomasse in ihren einzelnen Bestandteilen sehr genau be- stimmen können«, sagt Hahn. Zero Waste: Alle Bestandteile der Insekten werden genutzt Dem Forschungsteam ist es außerdem ge- lungen, den Einsatz von Säure und Lauge bei der Chitosanherstellung auf ein Mi- nimum zu senken, ohne sich Qualitäts- einbußen einzuhandeln. »Zudem wollen wir die Recyclingpotenziale der verschie- m u D r e v i l O : o t o F 3 | 26 »Kommerziell ge nutzt wird bisher fast ausschließlich das Chitin aus Krabbenschalen.« Dr.-Ing. Thomas Hahn, Fraunhofer IGB denen Stoffströme nutzen«, sagt Hahn. Sprich: Auf lange Sicht wollen sie nicht nur das Chitosan, sondern auch andere in den Rohstoffen enthaltene Komponenten verwerten – zumindest dann, wenn diese einen bedeutsamen Anteil an der Biomas- se ausmachen oder einen signifikanten Wert besitzen. Ein Beispiel sind Proteine: Über schonendere chemische oder enzy- matische Verfahren sollen sie möglichst heil aus der Biomasse herausgelöst werden und als Ausgangsmaterialien für Prote- infolien in der technischen Anwendung dienen, sei es in Materialverbunden, sei es als bioabbaubare Mulchfolien in der Landwirtschaft. Die extrahierten Mine- ralsalze könnten wiederum als Zement- Retardierer zum Einsatz kommen: Diese verlangsamen den Aushärtungsprozess von Zement, das Material bleibt somit län- ger geschmeidig und verarbeitbar. Was die Folien angeht, die sich aus Chi- tosan für die Lebensmittelverpackung her- stellen lassen: Die Forschenden sind der- zeit noch dabei, diese technisch und mechanisch zu charakterisieren und ihre Eigenschaften zu verbessern. Darüber hi- naus lässt sich Chitosan auch in der Tex- tilindustrie einsetzen, etwa als Grundla- ge für wasserabweisende Beschichtungen. Äußerst interessant sind zudem die Me- lanin-Gruppen, die sich in Panzern, Häu- ten und Kokons der Insekten finden – et- wa für elektrochemische Sensoren und Oberflächen sowie als natürlicher schwar- zer Farbstoff. Insekten und Pilze bieten also viel Potenzial, nicht nur zum Einpa- cken von Obst und Co. zurück zu Seite 1 59

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3 | 26 1200 Vorfälle allein im Januar 2026 Der Feind im Videostream KI kann Menschen längst nahezu perfekt imitieren. Fraunhofer-Forschende arbeiten deshalb an Lösungen, um Manipulationen in Echtzeit aufzuspüren. Von Mandy Bartel E in Videocall mit dem CEO, mehrere ver- traute Gesichter aus dem Kollegenkreis auf dem Bildschirm und die Bitte, eine dringende Überweisung zu tätigen: 2025 ging der Finanzdirektor eines Unternehmens in Sin- gapur einem Deepfake auf den Leim und überwies knapp 500 000 US-Dollar an die Betrüger. Denn was der Businessmann nicht ahnte: Alle Gesprächsteil- nehmer des Videocalls waren KI-generiert. Einen rie- sigen Anstieg solcher Videobetrugsfälle verzeichnete die Cyber Security Agency in Singapur Anfang 2026: 1200 Vorfälle allein im Januar, während es im Vor- jahresmonat erst 43 waren. Weltweit nehmen solche Angriffe rasant zu. KI kann heute Stimmen und Gesichter in Echtzeit täuschend echt nachbilden. Gleichzeitig lassen sich die Fälschungen immer schwieriger erkennen. Denn Videokonferenzen liefern keine perfekten Bilder: Kom- pression, schwankende Verbindungen, Weichzeich- nungsfilter und unterschiedliche Lichtverhältnisse erschweren die Analyse. Von solchen Deepfake-An- griffen sind nicht nur Videokonferenzen in Unter- nehmen bedroht, sondern auch bislang sichere video- basierte Verfahren von Banken, die Kunden etwa bei der Eröffnung von Konten zweifelsfrei identifizieren sollen. Standardisierte Interaktionsmuster wie Kopf- oder Handbewegungen und selbst das Zeigen des Per- sonalausweises lassen sich inzwischen mit entspre- chenden KI-Tools imitieren. Software erkennt Videofakes in Echtzeit Die Herausforderung: Statt nur sichtbare Manipu- lationen zu detektieren, müssen neue Sicherheits- 60

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»In Zukunft werden wir vielleicht eher dazu übergehen, echte Inhalte als echt nachzuweisen, als Fälschungen als solche zu identiﬁ- zieren – etwa mit sicheren Signaturen.« Martin Steinebach, Fraunhofer SIT Wer ist real, wer ein Fake? Die Unterscheidung wird immer schwieriger. T I S r e f o h n u a r F , o t o h p k c o t s i / n e n a i l a s e V o r e T : s o t o F lösungen zunehmend prüfen, ob der Inhalt des Vi- deostreams nicht wahrnehmbare, aber statistisch auffällige Signaleigenschaften hat. Hier setzen Prof. Martin Steinebach und sein Team am Fraunhofer-In- stitut für Sichere Informationstechnologie SIT an. In einem Projekt des Nationalen Forschungszentrums für angewandte Cybersicherheit ATHENE entwickelt sein Team aus Mitarbeitenden in Darmstadt und am Fraunhofer Heilbronn Forschungs- und Innovations- zentrum (HNFIZ) für Cybersicherheit eine KI-basierte Lösung, die Audio- und Video-Deepfakes kombiniert erkennt. »Wenn ein Gespräch viele Indikatoren auf- weist, gibt das System eine Wahrscheinlichkeit aus, ob es sich hier um Deepfake handeln könnte«, erklärt Steinebach. »Dann ist aber immer noch der Mensch gefragt, der mit gezielten Rückfragen oder auch einem Rückruf auf einem anderen Kanal die Echtheit seines Gegenübers verifizieren muss.« Die Analyse erfolgt lokal, ohne dass Bild- oder Ton- daten an einen externen Server übertragen werden. Damit ist sie datenschutzkonform und für Unterneh- men geeignet, die vertrauliche Gespräche führen, et- wa mit Vorständen, Finanzabteilungen oder externen 3 | 26 Partnern. »Für die lokale Echtzeitanalyse unserer Lö- sung reicht ein Laptop mit moderner Grafikkarte und zwölf Gigabyte Grafikspeicher«, betont Steinebach. Auch Anbieter von Videokonferenzsystemen können die Software als Plug-in oder fest eingebaute Sicher- heitsfunktion in Systemen wie Teams, Zoom oder ver- gleichbaren Unternehmenslösungen integrieren. Die Trainingsdaten sind entscheidend Die Forschenden füttern das selbstlernende System mit echten und manipulierten Audio- beziehungs- weise Videodaten. Es lernt so, Unterschiede selbst- ständig zu erkennen. Entscheidend ist, dass die Trainingsdaten ein re- alistisches Videokonferenzumfeld möglichst gut ab- bilden. In der KI spreche man von Augmentation, erklärt Steinebach: »Man versieht das Material mit den Störungen, die im realen Betrieb auftreten, und schult das System so, dass es mit diesen umgehen kann.« Da es sich um ein spezialisiertes Modell für eine klar umrissene Aufgabe handelt, ist das Training jedoch deutlich kleiner dimensioniert als bei großen Sprachmodellen. Derzeit befindet sich der Demonstrator noch in der Proof-of-Concept-Phase. Im nächsten Schritt wol- len die Forschenden die Technologie gemeinsam mit Unternehmen und Anbietern von Videokonferenz- systemen weiterentwickeln, um sie zuverlässig, daten- schutz- und nutzerfreundlich in deren Infrastruktu- ren zu integrieren. Der Mensch bleibt wichtig Im Fall des Finanzdirektors aus Singapur konnten die Behörden das überwiesene Geld glücklicherwei- se später sichern. Doch die Gefahr durch Deepfakes wächst weiter. Gleichzeitig können kryptographisch abgesicherte Kommunikation, zusätzliche Authen- tifizierung und technische Erkennungssysteme das Risiko deutlich senken. Noch. Langfristig könnte sich nach Ansicht des IT-Forensikers die Perspektive auf Deepfakes aber in eine andere Richtung verschie- ben: »In Zukunft werden wir vielleicht eher dazu übergehen, echte Inhalte als echt nachzuweisen, als Fälschungen als solche zu identifizieren – etwa mit sicheren Signaturen.« Entscheidend ist und bleibt, so Steinebach, der Mensch: Wer in einer Videokonferenz unerwartet zu einer Geldüberweisung aufgefordert wird, sollte die Identität des Gegenübers immer über einen zweiten Kommunikationskanal prüfen. zurück zu Seite 1 61

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3 | 26 Herzenssache: Innovative Stents sollen dem muskulären Hohlorgan künftig besser auf die Sprünge helfen. 62

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3 | 26 »Auf der neuen Beschichtung wachsen Endo - thelzellen besser an – und die Regeneration der geschädigten Gefäßinnenwand beschleunigt sich.« Prof. Joachim Storsberg, Fraunhofer IAP Hilfe fürs Herz Stents können Schlaganfälle und Herzinfarkte verhindern. Da sie beim Einsetzen die Zellinnenwand schädigen, droht jedoch eine erneute Verengung im Blutgefäß. Fraunhofer-Forschende möchten das Thromboserisiko nun dank speziell beschichteter und sich auflösender Stents senken – sie wurden dafür mit dem senetics Innovation Award 2025 ausgezeichnet. Von Yvonne Weiß D ie Krankheit verläuft meist lange symp- tomfrei, bis es zum lebensgefährlichen Ereignis kommt: Arteriosklerose, die Verengung von Blutgefäßen, zählt zu den häufigsten Todesursachen weltweit. Auch in Deutsch- land sterben Jahr für Jahr mehr als 150 000 Menschen an den direkten Folgen von Gefäßveränderungen. Um Herzinfarkte und Schlaganfälle zu verhindern, werden daher jährlich etwa eine halbe Million Stents implantiert. Das Problem dabei: Die Röhrchen aus Metall oder Polymeren weiten zwar Verengungen und stabilisie- ren Blutgefäße, beim Implantieren verletzen sie jedoch das Endothel, die schützende Gefäßinnenwand – das Risiko für eine Thrombose im Stent steigt. Betroffene müssen daher bislang hochdosierte Medikamente ein- nehmen, oft ihr Leben lang. Eine Lösung entwickeln Forschende des Fraunhofer- Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP im Projekt INNOSTENT. Gemeinsam mit einem Team der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus- Senftenberg BTU arbeiten sie an speziell beschich- teten und sich auflösenden Stents, welche auch die Bildung möglicher Blutgerinnsel verhindern sollen: »Für unsere innovativen Stents entwickeln wir eine spezielle Innenbeschichtung, die wachstums- fördernde Proteine enthält«, erklärt Prof. Joachim Storsberg, Experte für Implantate aus dem Forschungs- bereich Life Science und Bioprozesse am Fraunhofer IAP. »Auf der neuen Beschichtung wachsen Endothel- zellen besser an – und die Regeneration der geschä- digten Gefäßinnenwand beschleunigt sich.« Die Vermutung: Dank der neuen Implantate sinkt das Thromboserisiko nach der Implantation signifi- kant. Zudem benötigen Patientinnen und Patienten im Idealfall künftig weniger Blutverdünner. Anders als herkömmliche Röhrchen nimmt der Körper den neuen Stent außerdem nicht mehr als Fremdkörper wahr, sobald er von der schützenden Endothelschicht bedeckt ist. Das innovative Material bringt weitere Vorteile mit sich. »Unser Stent besteht aus einem degradierbaren Polymermaterial«, erklärt Dr. Anne Krüger-Genge, Humanbiologin und Forscherin am Fraunhofer IAP. »Anders als bei bisherigen Implantaten, etwa nicht- abbaubaren metallischen Stents, sind die Blutgefäße nach der Degradation wieder flexibel. Sie können sich nach Abbau des neuen Implantats wie zuvor verengen und erweitern – und damit die Durchblutung von Organen und Gewebe wie gewohnt regulieren.« Da der Körper das neue Material nach und nach abbaut, können die Blutgefäße zudem vollständig heilen. Die Anforderungen an Material und Form sind hoch: »Unser Stent muss im Körper abbaubar sein, zudem muss er die notwendige Druckstabilität für die Gefäßstützung aufweisen«, sagt Dr. Jörg Bohrisch, Materialwissenschaftler am Fraunhofer IAP. Dank einer speziellen Kombination aus Materialentwick- lung, einem angepassten Spritzgussverfahren sowie einer Strukturierung mit einem Kurzpuls-UV-Laser konnte das Team die gewünschte 3D-Struktur den- noch herstellen. Erste Prototypen der innovativen Stents gibt es bereits, im Labor laufen aktuell weitere In-vitro-Un- tersuchungen. Gefördert wird das Projekt vom Bun- desministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt BMFTR. Für das Erreichen der Innovati- onsstufe wurde das Team im Rahmen des senetics Innovation Award 2025 ausgezeichnet. s e g a m i s u i t i r u a m / s e g a m I n o k I / n o t s r u B r e v i l O : o t o F zurück zu Seite 1 63

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3 | 26 Energiewende Elektrolyse-Plattform – Effiziente Herstellung von Wasserstoff und chemischen Produkten Grüner Wasserstoff gilt als Schlüsseltechnologie für die Dekarbonisierung der Industrie. Ein innovativer Hochtemperaturelektrolyse-Stack erzeugt grünen Wasserstoff mit bislang unerreichter Effizienz und Flexibilität und ist für die industrielle Serienfertigung ausgelegt. Von Ulla Wolfshöfer D ie Hochtemperaturelektrolyse ist ein hocheffizientes Verfahren zur Wasser- stoffherstellung. Dabei wird Wasserdampf in einer Elektrolysezelle in Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Der Vorteil: Dank der hohen Temperaturen kann industrielle Abwärme direkt als Spaltungsenergie genutzt werden. Das spart teuren Strom, beschleunigt die elektrochemischen Reaktio- nen und optimiert so den Wirkungsgrad. Einem Team des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technolo- gien und Systeme IKTS in Dresden ist es gelungen, Hochtemperaturbrennstoffzellen und -elektrolyseure so leistungsfähig, robust und wirtschaftlich zu ma- chen, dass sie die Energiewende nicht nur unterstüt- zen, sondern entscheidend beschleunigen könnten. Dafür wurden Dr. Mihails Kusnezoff, Dr. Stefan Megel und Dr. Sindy Mosch mit dem Joseph-von-Fraun- hofer-Preis 2026 ausgezeichnet. Neuer wissenschaftlich-methodischer Ansatz des Fraunhofer IKTS »Unser Ziel war von Anfang an, eine Brücke zwischen Elektronen und Molekülen zu schaffen«, sagt Dr. Mi- hails Kusnezoff, Abteilungsleiter Werkstoffe und Komponenten und Leiter des Geschäftsfelds Energie am Fraunhofer IKTS. Dabei unterscheidet sich der Ansatz des Fraunhofer-IKTS-Teams deutlich von vielen Wettbewerbern: Statt separate Konzepte für Elektrolyseure und Brennstoffzellen zu verfolgen, entwickelten die Forschenden ein System, das beide Betriebswelten gleichermaßen abdeckt. Entwicklung eines massenproduktions- fähigen, universell einsetzbaren Stacks Im Labor entwickelten die Forschenden neue Mate- rialien für Elektrolyt und Elektroden, optimierten Mi- krostrukturen und bauten damit hochleistungsfähige Zellen. »Erst die Kombination vieler Zellen schafft den sogenannten Stack – das Herzstück des Systems. Er ermöglicht die nötige Skalierung, um Wasserstoff in industriellen Mengen zu erzeugen«, erläutert Dr. Sindy Mosch, Forscherin in der Arbeitsgruppe Werk- stoffe für gedruckte Systeme am Fraunhofer IKTS. Der technische Durchbruch gelang schließlich durch eine Kombination aus Materialinnovation, Design- optimierung und konsequenter Industrialisierung. Der Fraunhofer-IKTS-Stack arbeitet stabil in einem erweiterten Temperaturfenster von 750 °C bis 850 °C – ein entscheidender Faktor für die Lebensdauer eines Elektrolyseurs. In diesem Betriebstemperaturbereich lassen sich nicht nur Wasserdampf und CO₂ in Syn- thesegas über Elektrolyse umwandeln, sondern auch verschiedene Brennstoffe wie Erdgas, Biogas, Metha- nol, Ethanol oder sogar grünes Ammoniak im Brenn- stoffzellenmodus für die Stromerzeugung nutzen. Vom Labor in die Fabrik: Pilotfertigung in Arnstadt Parallel adressierte das Team die industrielle Skalie- rung, indem es die metallische Bipolarplatte für eine effiziente Herstellung in einem einzigen Pressschritt neu auslegte und skalierbare Beschichtungsverfahren für Elektroden sowie Kontakt- und Schutzschichten entwickelte. »Für uns war klar: Eine Technologie ist erst dann ein Beitrag zur Energiewende, wenn sie in der Fabrik und nicht nur im Labor funktioniert«, betont Dr. Stefan Megel, Gruppenleiter Keramische Energiewandler am Fraunhofer IKTS. Die industrielle Reife der Technologie überzeugte auch die Industrie: thyssenkrupp nucera identifizier- te den entwickelten Stack als besonders effiziente und vielversprechende Lösung im Bereich der Hochtem- peraturelektrolyse. Innerhalb von nur 14 Monaten 64

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3 | 26 errichtete das Fraunhofer IKTS am Standort Arnstadt eine erste teilautomatisierte Pilotfertigung für die weitere Hochskalierung. Schlüsseltechnologie für die industrielle Dekarbonisierung Die Stack-Entwicklung am Fraunhofer IKTS hat nicht nur neue Maßstäbe in Effizienz und technologischer Einsatzflexibilität gesetzt, sondern bildet auch die Grundlage für die industrielle Nutzung von Strom und Abwärme für die hocheffiziente Wasserstoff- und Synthesegaserzeugung. Damit leistet das Team des Fraunhofer IKTS einen direkten Beitrag zur globalen Energiewende und stärkt zugleich die Wettbewerbs- fähigkeit des Standorts Deutschland. Joseph-von-Fraunhofer-Preis 2026 Forschungs- preise Seit 1978 verleiht die Fraunhofer- Gesellschaft Preise für herausragende wissenschaftliche Leistungen ihrer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. i k s w o r e z c n a B r t o P i : s o t o F e l l A Dr. Stefan Megel, Dr. Sindy Mosch und Dr. Mihails Kusnezoff (v. l.) haben einen Hochtemperatur- elektrolyse-Stack entwickelt, der weltweit neue Maßstäbe setzt. zurück zu Seite 1 65

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3 | 26 Messverfahren Spurengasdetektion – Schnell und zuverlässig per resonanter Photoakustik Mit der industrietauglichen Weiterentwicklung eines Messverfahrens ist es einem Team des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik IPM gelungen, hochsensitive Sensorik etwa für Klimagase in ein robustes und kompaktes Format zu überführen – und das auf simple und kostengünstige Weise. Von Lisa Scherbaum Dr. Johannes Herbst, Dr. Katrin Schmitt und Dr. Christian Weber (v. l.) haben eine Gassensorik entwickelt, die Präzision mit kompaktem und wider- standsfähigem Design verbindet. 66

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3 | 26 Das neuartige Sensorprinzip bestimmt seine eigene Resonanz- frequenz fortlaufend selbst und führt die optische Anregung automatisch nach. D ie Photoakustik ist ein seit über 150 Jahren bekannter Effekt: Werden Gase mit Licht bestrahlt, erwärmen sie sich. Tut man dies gepulst, entstehen periodische Druckände- rungen – also Schallwellen, die sich eindeutig einzelnen Gasen zuordnen lassen. Dieser photoakustische Effekt ist die Grundlage für ein sehr genaues Messverfahren, selbst bei geringen Gaskonzentrationen. Doch trotz ihrer ho- hen Sensitivität fristete die Methode bislang ein Nischen- dasein, vor allem, weil sie auf akustische Verstärkung durch einen Resonator angewiesen ist: Dieser reagiert sehr empfindlich auf kleinste Veränderungen von Luft- druck, Temperatur oder mechanischer Beanspruchung. Für ein korrektes Messergebnis muss das System aber den »Ton«, also die Resonanzfrequenz, exakt treffen. Eine Leuchtdiode macht den Unterschied Genau hier konnte das Team um Dr. Christian Weber, Dr. Katrin Schmitt und Dr. Johannes Herbst vom Fraun- hofer IPM nun einen Durchbruch erzielen, für den die Forschenden mit dem Joseph-von- Fraunhofer-Preis 2026 ausgezeich- net wurden: Sie entwickelten ein Sensorprinzip, das mittels einer kleinen Leuchtdiode seine eige- ne Resonanzfrequenz fortlaufend selbst bestimmt und die optische Anregung automatisch nachführt. Dabei machte das Team aus der Not eine Tugend: »Die Wand des Sensors absorbiert Strahlung und erzeugt ein starkes photoakusti- sches Signal – ein vermeintlicher Nachteil, der uns umdenken ließ: Maybe it’s a feature! Jetzt ver- wenden wir die Wand in Verbin- dung mit einer starken zweiten Lichtquelle, um in kurzer Zeit die Resonanzfrequenz zu messen«, so Christian Weber, Pro- jektleiter Integrierte Sensorsysteme am Fraunhofer IPM. Die Resonanzverstärkung bleibt dadurch jederzeit stabil – auch unter wechselnden Bedingungen. Gleichzeitig er- möglicht der geringe Hardwareaufwand Sensorpreise, die bei etwa einem Zehntel der klassischen Geräte liegen. Erfolgreicher Marktstart mit Leckage-Messungen Welche Wirkung diese Vereinfachung entfaltet, zeigt die erste große Anwendung: Die Firma Schütz Messtechnik nutzt die Technologie bereits zur Überprüfung von Erd- »Es ist immer großartig, wenn man ein fertiges Produkt sieht und sagen kann: Hier steckt ein Stück Fraunhofer drin.« Dr. Katrin Schmitt, Fraunhofer IPM gasnetzen. Dort müssen geringste Methanmengen in der Luft erkannt werden, um Leckagen frühzeitig aufzu- spüren: »Dank des kleinen Messkammer-Volumens von rund vier Millilitern statt den bisher notwendigen vier Litern sind die Messungen nun sehr schnell und präzi- se«, betont Johannes Herbst, Projektleiter Spektrosko- pie und Prozessanalytik am Fraunhofer IPM. »Mit ihrer kompakten Größe sind die Systeme zudem wesentlich mobiler und flexibler einsetzbar.« In gasisolierten Hoch- spannungsanlagen ermöglicht die neue Sensorik erst- mals eine dauerhafte, integrierte Überwachung der Schutzgasquali- tät – eine wichtige Voraussetzung für zuverlässige Überwachung und mehr Betriebssicherheit. Gebündeltes Know-how für den Technologietransfer Die schnelle Marktreife gelang durch die enge Zusammenarbeit von Christian Weber – für sei- ne Promotion zur Photoakustik kürzlich mit dem Hugo-Geiger- Preis 2025 ausgezeichnet –, Katrin Schmitt, Gruppenleiterin Thermi- sche Messtechnik und Systeme, sowie Johannes Herbst mit dem für den Transfer erforderlichen Fachwissen in der La- serspektroskopie. Das prämierte Sensorprinzip zeigt exemplarisch, wie aus exzellenter Forschung technologische Wirkung ent- steht: »Es ist immer großartig, wenn man ein fertiges Pro- dukt sieht und sagen kann: Hier steckt ein Stück Fraun- hofer drin«, so Katrin Schmitt. Die Methangas-Sensoren sind dabei erst der Anfang, denn zahlreiche weitere Ap- plikationen sind absehbar – von der industriellen Pro- zessüberwachung bis hin zur Umweltmesstechnik. Mit ihrer robusten, selektiven und kostengünstigen Funk- tionsweise hat die Technologie das Potenzial, die Gas- sensorik grundlegend zu verändern. zurück zu Seite 1 67

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3 | 26 Optik EOSS® – Neues industrielles Produktionssystem für präzisionsoptische Schichten Der Markt für optische Beschichtungen wächst kontinuierlich – ebenso die Anforderungen an präzisionsoptische Systeme. Die Entwicklung des EOSS®- Produktionssystems leitet eine neue Ära in der Präzisionsoptik ein. Von Ulla Wolfshöfer P räzisionsoptische Beschichtungen sind Schlüsseltechnologien für moderne Optik- systeme. Ihre komplexen Schichten stellen hohe Anforderungen an Uniformität, Prozess- stabilität und Produktivität im industriellen Maßstab. Ein Forscherteam des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST hat mit dem Produktionssystem EOSS® (Enhanced Optical Sputte- ring System) eine einmalige Beschichtungstechnologie für präzisionsoptische Systeme entwickelt, die diesen Anforderungen gerecht wird und bereits in industriel- ler Anwendung ist. Stefan Bruns, Dr. Philipp Farr und Dr. Michael Vergöhl wurden dafür mit dem Joseph-von- Fraunhofer-Preis 2026 ausgezeichnet. Was das EOSS®-System einzigartig macht Erstmals kommen im EOSS®-System drehbare Doppel- rohrkathoden, sogenannte »Rotatable Magnetrons«, zum Einsatz. In Kombination mit neuartigen Mischtargets aus Metall und Metalloxid gelingt es, einen reaktivgasfreien und dadurch extrem stabilen Beschichtungsprozess zu realisieren. Die räumlich getrennte Plasmanachreaktion und die nach oben gerichtete, partikelarme Konstruk- tion sorgen dafür, dass selbst anspruchsvollste optische Komponenten gleichmäßig und über lange Zeiträume zuverlässig gefertigt werden können. Ein weiterer Meilenstein ist die Möglichkeit der simul- tanen doppelseitigen Abscheidung optischer Schichten. »Die Möglichkeit, beidseitig gleichzeitig zu beschichten, eröffnet völlig neue Potenziale für eine Produktivitäts- steigerung und die Beschichtung von sehr dünnen Subs- traten«, erläutert Dr. Michael Vergöhl, Abteilungsleiter Optische und elektronische Systeme am Fraunhofer IST und wissenschaftlicher Motor des Projekts. Die Leistungs- daten des Produktionssystems sind beeindruckend: Kon- stante Uniformitäten nahe 100 Prozent werden über einen Produktionszeitraum erreicht, der aufgrund der Rohrka- thoden fast zehnmal so lang ist wie bei herkömmlichen Systemen. Der wartungsarme 24/7-Betrieb über mehrere Wochen, reproduzierbare Gradientenprofile sowie die steuerbare Beschichtung auf geformten 3D-Substraten zeigen die industrielle Reife der Technologie. MOCCA+® – Maßgeschneiderte optische Messtechnik zur Produktionsüberwachung Ergänzt wird die Hardware durch MOCCA+® (Modular Optical Coating Control Application), eine modulare, mo- dell- und datengetriebene Steuer- und Monitoring-Soft- ware, die Prozessführung, Datenerfassung und Analyse konsolidiert. Damit wird die Echtzeit-Überwachung des gesamten Beschichtungsprozesses möglich – ein Novum in der industriellen Produktion. »Mit MOCCA+® haben wir die Grundlage geschaffen, komplexe Beschichtungspro- zesse transparent zu steuern und nachvollziehbar zu do- kumentieren. Das Monitoring in Echtzeit erhöht nicht nur die Qualität, sondern auch die Effizienz der Produktion«, betont Stefan Bruns, der technische Anker des Teams. Industrielle Verwertung und wirtschaftliche Erfolge Mit dem EOSS®-Produktionssystem und der MOCCA+®- Software hat das Fraunhofer-Team eine Schlüsseltechno- logie geschaffen, die die industrielle Fertigung optischer 68

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3 | 26 Präzisionsschichten nachhaltig verändert. »Die Zusam- menarbeit im Team und mit unseren Partnern war ent- scheidend, um die Innovation in die industrielle Praxis zu bringen und die wirtschaftlichen Erfolge zu ermöglichen. Wir sind stolz darauf, dass unsere Lösungen auch inter- national sichtbar sind«, so Dr. Philipp Farr, Gruppenleiter Präzisionsoptische Schichten am Fraunhofer IST, der sich vor allem um die industrielle Verwertung kümmert. An- wendungsfelder reichen von autonomem Fahren, Laser- und Medizintechnik über Raumfahrt und Analytik bis zur Umwelttechnik. Die Entwicklung von Laserschutz- filtern für Pilotenbrillen, die bereits erfolgreich in die Serienfertigung übergehen, zeigt die industrielle Reife auch auf 3D-Substraten. Der wirtschaftliche Erfolg unter- streicht die Bedeutung des Projekts: Zahlreiche EOSS®- Produktionssysteme wurden bereits über Partner in den Markt gebracht. Mit dem EOSS®-Produktionssystem können hochpräzise optische Schichten industriell skalierbar, effizient und flexibel hergestellt werden. Dr. Michael Vergöhl, Stefan Bruns und Dr. Philipp Farr (v. l.) haben eine Schlüsseltechnologie geschaffen, die die industrielle Fertigung optischer Präzisionsschichten nachhaltig verändert. zurück zu Seite 1 69

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3 | 26 Wissenschaftspreis des Stifterverbandes 2026 Seit mehr als 20 Jahren zeichnen Stifter verband und Fraunhofer- Gesellschaft exzellente Verbund- projekte der angewandten Forschung aus, bei denen Fraunhofer-Institute mit der Wirtschaft und/oder anderen Forschungsorganisationen zusammenarbeiten. Langjährige und enge Zusammenarbeit (v. l.): Dr. Sven Beyer (GlobalFoundries), Dr. Nandakishor Yadav, Dr. Franz Müller, Konrad Seidel und Dr. Maximilian Lederer (Fraunhofer IPMS). Halbleiterfertigung Ferroelektrische Speicher – Daten schnell und energieeffizient sichern Energie sparen, schneller rechnen und Daten dauerhaft speichern: Wissenschaftler des Fraunhofer- Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS haben gemeinsam mit dem Unternehmen GlobalFoundries eine neuartige Speichertechnologie entwickelt, die genau diese Anforderungen erfüllt. Dem Team ist es gelungen, ultraschnelle ferroelektrische FRAM-Speicher auf Basis von Hafniumoxid in eine bestehende industrielle Fertigungstechnologie zu integrieren. Von Lisa Scherbaum 70

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D igitale Systeme stellen immer höhere An- forderungen an Speicher: Sie sollen schnell, langlebig, nicht flüchtig und zugleich ex- trem stromsparend sein. Gerade bei Anwen- dungen im Automotive-Bereich, der Industrieautomation oder der Medizintechnik stoßen bisherige Speicherlö- sungen dabei an ihre Grenzen. Im Rahmen eines ge- meinsamen Forschungsprojekts haben das Fraunhofer IPMS und GlobalFoundries diese Problematik adressiert: Dr. Franz Müller, Dr. Maximilian Lederer, Dr. Nandakishor Yadav und Konrad Seidel sowie Dr. Sven Beyer und Dr. Robert Seidel haben eine neuartige Speichertechno- logie etabliert, die energieeffiziente Elektronik und neue Rechenarchitekturen ermöglicht. Dafür erhält das Team den Wissenschaftspreis des Stifterverbands »Forschung im Verbund«. Ferroelektrischer Speicher für dauerhafte Sicherung Im Zentrum der Arbeiten steht ein FRAM-Speicher (Fer- roelectric Random Access Memory), der das ferroelek- trische Material Hafniumoxid nutzt, um Informationen dauerhaft zu speichern: »Bei der ferroelektrischen Spei- chertechnologie werden Ionen sehr schnell in einem Kristallgitter verschoben, was zu einer veränderten Polarisation führt. Genau diesen Effekt kann man zum Speichern von Informationen nutzen«, erklärt Konrad Seidel, Leiter des Geschäftsfelds Emerging Memory So- lutions am Fraunhofer IPMS. Der große Vorteil dieser Methode: Die Information bleibt auch ohne Strom er- halten – und kann beliebig oft ausgelesen werden, ohne dabei verloren zu gehen. 3 | 26 Benötigt weniger Energie und Zeit – und ist trotzdem sicher: Die neue Speichertechnologie erfüllt die Anforde rungen der Industrie. Grundlage für Edge-KI und neue Anwendungen Die neue Speichertechnologie ist besonders für Anwen- dungen relevant, bei denen Energieeffizienz entscheidend ist – etwa autonome Sensoren, batterie- oder akkubetrie- bene Systeme oder Künstliche Intelligenz direkt im Gerät. »Der Leistungsverbrauch ist mit unserer nicht flüchtigen Speichertechnologie viel geringer als bei bestehenden Lösungen. Das macht es möglich, Künstliche Intelligenz nicht nur in Rechenzentren einzusetzen, sondern direkt in Edge-Anwendungen, bei denen Daten lokal im Gerät verarbeitet werden«, erläutert Dr. Maximilian Lederer, Lead Scientist am Fraunhofer IPMS. Aus Industriesicht ist dieser Fortschritt entscheidend: »Eine bezahlbare Ultra-Low-Power-Technologie mit einer dafür ideal passenden Speicherlösung ist gerade für An- wendungen wie Edge-KI hochattraktiv. Hier treffen zwei Technologien zusammen, die sich perfekt ergänzen«, be- tont Dr. Sven Beyer von GlobalFoundries. Integration in industrielle Chipfertigung Verbundforschung als Erfolgsfaktor Ein zentraler Erfolg des Projekts ist die Integration der Speicher in eine bestehende industrielle Fertigungstech- nologie. Die Forschenden entwickelten einen reproduzier- baren Ansatz, um ferroelektrische FRAM-Zellen in den 22FDX®-Technologieknoten von GlobalFoundries einzu- betten – eine Plattform, die speziell auf die Herstellung von Ultra-Low-Power-Mikrochips ausgelegt ist. »Es ist ein großer Schritt, wenn man zeigen kann, dass das, woran man intensiv forscht, auch tatsächlich auf hochskalierten industriellen Strukturen gefertigt werden kann«, sagt Dr. Franz Müller, Leiter des Projekts am Fraunhofer IPMS. Die neuartigen Speicherzellen arbeiten mit energiespa- renden Betriebsspannungen unter einem Volt, schalten in wenigen Nanosekunden und weisen eine hohe Zyk- lenfestigkeit auf, d. h. sie überstehen viele Schreib- und Löschvorgänge zuverlässig. Das Projekt baut auf einer langjährigen, engen Zusam- menarbeit zwischen Fraunhofer IPMS und GlobalFoun- dries am Standort Dresden auf. Material, Prozess, Bau- element und Fertigung wurden gemeinsam und eng verzahnt im Innovationsökosystem »Silicon Saxony« entwickelt. »Die offene und vertrauensvolle Zusammen- arbeit zwischen Industrie und Forschung war die Grund- lage dafür, dass unsere Innovation schnell in ein realisti- sches Anwendungsszenario überführt werden konnte«, so Konrad Seidel. Die mit gebündelten Kräften schnell zur Marktreife geführte Technologie schafft eine wichtige Basis für leistungsfähige, robuste und energieeffiziente elektronische Systeme der nächsten Generation – und stärkt damit die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands im international stark umkämpften Markt der Halbleiter- fertigungstechnologien. zurück zu Seite 1 71

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3 | 26 Foto & Fraunhofer Leichtes treibt gut Der Rhein schrieb diesen Sommer Geschich- te, allerdings keine gute: Auf nur noch 45 Zentimeter fiel der Pegelstand bei Köln Mitte August. Das Niedrigwasser bremste die Bin- nenschifffahrt auf Europas wichtigster Was- serstraße aus, ließ Lieferketten im Wortsinn versiegen. Eigentlich sind niedrige Rheinpegel im Spätsommer und Herbst kein ungewöhn- liches Phänomen. Doch ein schneearmer Winter gepaart mit einem extrem regenar- men und heißen Sommer führten zu einem Tiefpunkt (nicht nur) am Rhein. Je flacher die Flüsse, desto mehr Gewicht bekommt der Leichtbau in der Schiffskon- struktion. Denn jedes hier eingesparte Kilo- gramm senkt den Tiefgang eines Schiffes. For- schende des Fraunhofer-Instituts für Werk- zeugmaschinen und Umformtechnik IWU setzen dafür auf eine Sandwich-Bauweise, bei der ein leichter Aluminiumschaumkern zwi- schen dünne Stahl- oder Aluminiumbleche eingebracht wird. Entwickelt für Werkzeug- maschinen oder Gehäuse von Batterien in E- Autos, sind solche Sandwich-Elemente auch bestens geeignet etwa für den Innenbereich von Schiffen, wie Dr.-Ing. Jörg Hohlfeld, Lei- ter der Gruppe Metallschaum am Fraunhofer IWU, betont: »Bei etwa 30 Prozent Minder- gewicht gegenüber herkömmlichem Schiff- baustahl stehen sie bisherigen Stahlplatten an Steifigkeit keineswegs nach.« Der Vorteil: Bei Niedrigwasser können leichtere Schiffe mehr Fracht transportieren oder auch dann noch fahren, wenn schwer- gewichtige Wettbewerber an ihre Grenzen stoßen. Was früher vor allem eine Frage der Effizienz war, wird zunehmend zur Anpas- sungsstrategie an den Klimawandel. 72 Die Burg Pfalzgrafenstein bei Kaub ragt auch bei normalem Pegelstand aus dem Rhein – nicht allerdings die Felsinsel, auf der die Wachstation 1327 errichtet wurde.

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3 | 26 a p d / y e r F s a m o h T : o t o F zurück zu Seite 1 73

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3 | 26 DEUTSCHLAND Saubere Schifffahrt Ein KI-gestütztes Energiemanagement- system, das den Kraftstoffverbrauch und die umweltschädlichen Emissionen von Schiffen senken soll, entwickeln Forschende im europäischen Projekt AIMPERES unter der Leitung des Fraun- hofer-Instituts für Entwurfstechnik Mechatronik IEM. Ziel ist, die Schiff- fahrt klimafreundlicher zu machen, oh- ne dafür neue Schiffe bauen oder alte aufwendig umgestalten zu müssen. Das modulare System nutzt Künstliche Intelligenz, um Emissionen in Echtzeit zu überwachen, Betriebsdaten auszu- werten und mithilfe Digitaler Zwillinge die Energieeffizienz eines Schiffes zu analysieren. Auf dieser Grundlage erhalten Besatzung und Reedereien konkrete Empfehlungen, wie sich der Schiffsbetrieb effizienter und nachhal- tiger gestalten lässt. Die Technologie kann in bestehende Bordsysteme inte- griert werden und ist für unterschiedli- che Schiffstypen geeignet. Das System soll in den kommenden drei Jahren für Binnen-, Küsten- und Hochseeschiffe entwickelt werden und ermöglichen, mindestens fünf Prozent Kraftstoff einzusparen sowie die Emissionen von Stickoxiden, Schwefeloxiden und Fein- staub deutlich zu reduzieren. Der weltweite Schiffsverkehr ist für etwa 2,3 Prozent der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. 74 Fraunhofer international Frankreich Deutschland Österreich Indien Standorte der Fraunhofer-Gesellschaft Zum Wegwerfen zu schade: Im Auto sind viele wertvolle Werkstoffe verbaut. DEUTSCHLAND E-Autos recyceln Den CO₂-Fußabdruck von Elektrofahr- zeugen um mindestens 25 Prozent sen- ken und den Anteil wiederverwende- ter Materialien deutlich steigern wol- len Forschende im EU-Projekt ZEvRA. Unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umform- technik IWU arbeiten 28 europäische Partner aus Wissenschaft und Industrie daran, zentrale Werkstoffgruppen ei- nes E-Autos – darunter Stahl, Alumini- um, Kunststoffe, Glas, Reifen und Sel- tene Erden – vollständig in geschlosse- ne Materialkreisläufe zu integrieren. Diese Stoffe machen etwa 84 Prozent des Gesamtfahrzeuggewichts aus. Ers- te Demonstratoren, wie ein Kotflügel aus aufgearbeitetem Stahl oder Reifen mit hohem Recyclinganteil, sind weit fortgeschritten. Auch im Bereich Alu- minium, Kunststoff und Verbundmate- rialien konnten Bauteile mit einem Re- cyclinganteil von bis zu 97 Prozent rea- lisiert werden. Auf Basis des Referenz- fahrzeugs Škoda Enyaq wurde ein mo- dulares Fahrzeugkonzept entwickelt. Ein physischer Prototyp mit Projekt- bauteilen soll bis Ende 2026 entstehen.

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FRANKREICH Pilotfertigung für Europas KI-Zukunft startet Europas Abhängigkeit von Halbleiter- lieferketten aus Asien und den USA verringern soll eine neue Pilotlinie für Edge-AI-Technologien. In dem EU-Pro- jekt PREVAIL arbeiten Forschende der Fraunhofer-Institute für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, für Photoni- sche Mikrosysteme IPMS, für Elektroni- sche Mikrosysteme und Festkörper- Technologien EMFT und für Integrierte Schaltungen IIS an der Chipintegrati- on, nanoelektrischen Speichertechno- logien, Vertrauenswürdigkeit und Schaltungsdesign. Edge-AI-Anwendungen verar- beiten Daten, wo sie entstehen. Das bietet Vorteile für die Sicherheit und Geschwindigkeit von KI-Systemen. Die PREVAIL-Pilotlinie wird derzeit aufge- baut, neue Anlagen an den Partner- standorten in Belgien, Deutschland, Finnland und Frankreich installiert. Ziel ist die europäische Entwicklung und Fertigung von Schlüsseltechnologien. Bisher haben europäische Firmen nur eingeschränkt Zugang zu fortschrittlichen Halbleitertech nologien. ÖSTERREICH KI erkennt bösartiges Gewebe in Sekunden den dafür hochauflösende 3D-Aufnah- men des Lebergewebes mittels opti- scher Kohärenztomographie (OCT) mit einer KI-gestützten Anomalie-Erken- nung kombiniert. Das Verfahren kann aufwendige histologische Untersu- chungen ergänzen, die Operations- dauer verkürzen und die Belastung für Patienten und Patientinnen sowie OP- Teams reduzieren. Ein wesentlicher Vor- teil besteht darin, dass das Training der KI ausschließlich mit Aufnahmen ge- sunden Gewebes erfolgt und dadurch erheblich beschleunigt werden kann. Abweichungen von der Norm erkennt die KI zuverlässig: In einer Studie er- reichte die Methode eine durchschnitt- liche Treffergenauigkeit von 81 Prozent. Als Nächstes soll die Technologie unter realen OP-Bedingungen erprobt und für den klinischen Einsatz weiter opti- miert und miniaturisiert werden. Während der OP steigt mit jeder Minute mehr das Risiko für Komplikationen. Um Tumorgewebe in der Leber gezielt entfernen zu können, ist es wichtig, es schnell und sicher zu identifizieren. Eine neuartige Methode, mit der sich wäh- rend der Operation innerhalb weniger Sekunden verdächtiges Gewebe über- prüfen lässt, haben Forschende von Fraunhofer Austria gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produk- tionstechnologie IPT und dem Uniklini- kum Aachen entwickelt. Erstmals wer- 3 | 26 INDIEN Smart anbauen Pflanzen, die hydroponisch, also ohne Erde, angebaut werden, verbrauchen weniger Wasser, wachsen schneller und liefern höhere Erträge. Um den Einsatz von Wasser und Nährstoffen in Hydrokulturanlagen zu optimieren, ha- ben Wissenschaftlerinnen und Wissen- schaftler des Fraunhofer-Instituts für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM gemeinsam mit internationalen Part- nern eine Technologie entwickelt, die die Nährstoffversorgung automatisiert überwacht und steuert. Mithilfe elek- trochemischer Sensoren auf einem mikrofluidischen Chip misst das Auto- Nutri-System gleichzeitig bis zu fünf verschiedene Nährstoffionen. Fehlen- de Nährstoffe werden automatisch nachdosiert. Die kontinuierliche Über- wachung ermöglicht eine gezieltere Pflanzenversorgung und spart Wasser. Erste Praxistests in Farmbetrieben in Indien zeigten präzise und zuverlässi- ge Ergebnisse auf Laborniveau. Über die Landwirtschaft hinaus sehen die Forschenden Anwendungsmöglich- keiten unter anderem in der Abwasser- überwachung, der Kontrolle von Bio- reaktoren sowie langfristig beim Pflan- zenanbau in extremen Umgebungen. Der Klimawandel erfordert alternative Anbaukonzepte. zurück zu Seite 1 75 o t o h p k c o t s i e l l i i a / n e d m a B t h o p n u B , i n h k a n a M i r e d n a x e A l , 0 0 8 5 h h , n a s v k , k k i v r a n : s o t o F

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3 | 26 Fliegende Augen und Ohren Smarte Frühwarnsysteme: Ein Fraunhofer-Projekt macht aus Drohnen intelligente Helfer für mehr Sicherheit auf Großveranstaltungen. Von Iris Röll S ie wollten nur feiern. Tausende Menschen drängten am 24. Juli 2010 in Richtung der wummernden Beats durch einen Tunnel und über eine Rampe auf das ehemalige Güter- bahnhofsgelände der Stadt Duisburg. Am späten Nach- mittag wurde das Gedränge auf der Loveparade so groß, dass 21 Besucher starben; mehr als 600 weitere Menschen wurden zum Teil schwer verletzt. Auch auf dem Münch- ner Oktoberfest ging am 27. September 2025 nichts mehr: Die Zugänge zum Festgelände mussten wegen des Besu- cherandrangs zeitweise abgeriegelt werden. Wie könnte man solche gefährlichen Situationen in Zukunft rechtzei- tig erkennen? Forschende von zwei Fraunhofer-Instituten haben darauf jetzt eine technische Antwort gefunden. DRUM heißt ihr Projekt, kurz für »Drohnenbasierte Unterstützung der BOS bei Massenveranstaltungen«. BOS steht hier für »Behörden und Organisationen mit Sicher- heitsaufgaben«, sprich: Polizei, Feuerwehr, Ordnungsamt, Rettungsdienst und Ähnliches. Damit sie bei Groß-Events bedrohliches Gedränge frühzeitig identifizieren können, helfen immer häufiger Drohnen. Sie liefern Bilder aus der Vogelperspektive, zeigen Engstellen, Menschenströme und Rettungswege. Doch bislang blieb ihre Rolle oft er- staunlich schlicht: eine fliegende Kamera, deren Auf- nahmen Menschen am Bildschirm auswerten und an die Einsatzleitung per Funk weitergeben müssen. Das kostet Zeit, ist ermüdend und braucht erfahrene Beobachter. Genau hier setzt das Forschungsprojekt DRUM an. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Fraun- hofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bild- auswertung IOSB in Karlsruhe und des Fraunhofer- 76

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3 | 26 Instituts für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE in Wachtberg bei Bonn entwickelten ein System, das Drohnen nicht nur sehen, sondern auch hören lässt – und das ihre Daten mithilfe Künstlicher Intelligenz in Echtzeit analysiert. Das System besteht aus einer Drohne mit Kamera und einem ausgeklügelten System aus mehreren Mikrofonen. Hinzu kommt eine Software, die entweder auf einem Lap- top bei Einsatzkräften vor Ort oder zentral in einem Rechenzentrum läuft. »Beides hat Vorteile«, sagt Arne Schwarze. Der Informatiker leitet am Fraunhofer FKIE die Forschungsgruppe »Systems for Situational Aware- ness« und erklärt: »Beim Betrieb vor Ort sind die Anfor- derungen an die Kommunikationsanbindung geringer, das System ist also sehr robust. Läuft die Software in ei- nem Rechenzentrum, müssen die Nutzer dagegen keine speziellen Rechner und Software anschaffen. Festival- betreiber können den Service zum Beispiel nur für die Veranstaltungsdauer buchen.« Bild-, Ton- und Lagedaten der Drohnen übersetzt die Software in konkrete Hinweise: Wie viele Menschen be- finden sich gerade in einem bestimmten Bereich? Wo ent- stehen gefährliche Verdichtungen? Aus welcher Richtung kommen eine Explosion oder Schüsse? Die Ergebnisse erscheinen direkt auf einer digitalen Lagekarte, auf der auch wichtige Zusatzinformationen wie Notausgänge verzeichnet sind. »Wir liefern die Auswertung. Welche Maßnahmen daraus folgen müssen, entscheiden dann die Fachleute der Sicherheitsbehörden«, erläutert Michael Grinberg, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IOSB in der Abteilung Videoauswertesysteme. Die Idee zum Projekt kam durch eine Fraunhofer-in- terne Ausschreibung für einen Demonstrator für KI-An- wendungen. Die beiden Institute hatten schon oft zusam- mengearbeitet, zum Beispiel im Vorgängerprojekt IDEAL. Dabei ging es darum, mithilfe von Drohnenbildern ver- misste Personen zu finden und eine Situation mit zahl- reichen Verletzten aus der Luft aufzuklären. »In DRUM haben wir jetzt die automatisierte Live-Auswertung von Bild- und Tonaufnahmen zusammengebracht und in ei- ner gemeinsamen Lagedarstellung visualisiert«, so Grin- berg. Dass Sicherheitsorganisationen sich eine solche Lö- sung wünschen, wussten die Forschenden aus Workshops mit Feuerwehr & Co. Um die Bildauswertung und die Ver- ortung der Ergebnisse hat sich das Fraunhofer IOSB ge- kümmert, um die Audio-Komponente und die Darstellung in einer Lagekarte das Fraunhofer FKIE. Diese Lagekarte stammt aus einem Projekt des FKIE namens »lokik«, das im Nachgang der Flutkatastrophe 2021 entwickelt wurde, um die Koordination in der frü- hen Phase einer großflächigen Notlage zu verbessern. Am Fraunhofer IOSB wiederum werden seit vielen Jahren Wegen Überfüllung geschlossen: Auf der Wiesn 2025 wäre es bei nahe zu einer Katastrophe gekommen. a p d / l e f f e n K r e t e P : o t o F zurück zu Seite 1 77

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3 | 26 Verfahren zur Personenzählung in Bildern erforscht. Sie wurden für stationäre Überwachungskameras entwickelt und kamen dieses Jahr erstmalig auch auf dem Oktober- fest in München zum Einsatz. Drohnen stellen die Algo- rithmen jedoch vor völlig neue Herausforderungen. Sie fliegen in wechselnden Höhen und mit diversen Kamera- einstellungen. Mal blicken sie senkrecht nach unten, mal schräg auf das Geschehen. Einzelne Köpfe lassen sich aus großer Höhe oft gar nicht mehr erkennen. Deshalb zählt das bei DRUM eingesetzte Verfahren nicht einzel- ne Personen, sondern arbeitet mit Dichteschätzungen. Die Künstliche Intelligenz analysiert Bildbereiche Pixel für Pixel und berechnet da- raus, wie viele Menschen sich höchstwahrscheinlich in einem Abschnitt aufhalten. Um ihr das beizubringen, haben die Forschen- den bei verschiedenen Massenver- anstaltungen mehrere hundert Bilder aufgenommen, zum Beispiel beim Kölner Karneval. Diese muss- ten dann »annotiert« werden. Das heißt, die Wissenschaftler und Wis- senschaftlerinnen erklärten der KI, auf welchem Bild wie viele Men- schen zu sehen waren. Noch anspruchsvoller ist die akustische Analyse. Denn Drohnen erzeugen selbst erhebliche Geräusche, die wich- tige Audiosignale vom Boden überlagern können. Die Lö- sung steckt in einem speziellen Mikrofonarray, das die Forscher als »Krähennest« bezeichnen: Mehrere räumlich zueinander versetzte Mikrofone nehmen gleichzeitig Ge- räusche aus verschiedenen Richtungen auf. Anschlie- ßend filtert die Software störende Hintergrundgeräusche heraus. Künstliche Intelligenz sucht in den bereinigten Audiodaten nach charakteristischen Mustern – etwa nach Hilfeschreien, Schüssen oder einem Knall. Dabei greifen die Forscher zu einem Trick: Sie ver- wandeln Schall in Bilder, sogenannte Spektrogramme. Diese Bildmuster kann die KI ähnlich auswerten wie Fo- tos. Im DRUM-System erkennt sie nicht nur das Geräusch, sondern ordnet ihm auch eine exakte Position auf der Karte zu. Die Einsatzleitung sieht nicht mehr nur Rohdaten, sondern konkrete Hinweise: Hier steigt die Personendich- te. Dort bewegt sich eine Menschenmenge ungewöhnlich schnell. An dieser Stelle wurde ein Knall erkannt. Schwar- ze: »Die Künstliche Intelligenz ersetzt dabei nicht den Menschen. Sie lenkt seine Aufmerksamkeit aber auf die entscheidenden Stellen.« 78 »Die Künstliche Intelligenz ersetzt dabei nicht den Menschen. Sie lenkt seine Auf- merksamkeit aber auf die entscheidenden Stellen.« Arne Schwarze, Fraunhofer FKIE Den fertigen Demonstrator haben die Wissenschaft- lerinnen und Wissenschaftler inzwischen bei Feuerwehr- schulungen und Fachmessen vorgestellt. Die Reaktion der Fachleute? »Ist immer die gleiche«, lacht Grinberg: »Können wir das bitte haben?« Bis dahin sind allerdings noch einige Schritte nötig. Zwar genügt für die Bildaufnahme eine handelsübliche Drohne, wie sie viele Rettungsstellen schon verwenden, sofern diese auch Metadaten aufzeichnet, wie Geschwin- digkeit, Lage und Ähnliches. Für das spezielle Mikrofon-Ensemble hat sich bislang nur für den mili- tärischen Bereich ein Partner für die Weiterentwicklung gefunden. »Und unser System muss erst noch weiter validiert werden in realen Szenarien«, betont Grinberg. Um das zu finanzieren, haben sich die Forschenden vom Fraunhofer IOSB aktuell bei einer Ausschreibung des Bundesministeriums für For- schung, Technologie und Raum- fahrt beworben. Für die Zukunft können sich die Wissenschaftler und Wissen- schaftlerinnen zahlreiche weitere Anwendungsfelder ihrer Entwick- lung vorstellen – immer mit dem Hintergrund, Drohnen- daten auszuwerten, um gefährliche Situationen frühzeitig zu erkennen. So kann man zum Beispiel auch Radarsen- soren an die Fluggeräte montieren oder LiDAR – ein Sys- tem, das mithilfe von Laserstrahlen Entfernungen misst und exakte Abbilder der Umgebung erstellt. LiDAR wird zum Beispiel beim autonomen Fahren verwendet, aber auch von Saug- und Mährobotern. Arne Schwarze ist zu- versichtlich: »Unser System ist modular aufgebaut, wir können Daten von verschiedensten Sensoren integrieren – das haben wir bereits in unterschiedlichen Projekten gezeigt.« Sein Kollege Grinberg kann sich vorstellen, dass zu- künftig auf dem Dach jeder Feuerwehrstation eine tech- nologisch entsprechend aufgerüstete Drohne geparkt ist. »Die würde bei einem Alarm sofort losfliegen und wäre wahrscheinlich noch vor den Einsatzkräften vor Ort, um ein Lagebild zu senden.« Auch auf Einsatzfahrzeugen könnten kabelgebundene Drohnen installiert sein, die über längere Zeit ohne Zwischenlandung die Lage aus der Luft beobachten. Auf jeden Fall kann die Fraunhofer-Tech- nologie vielleicht bald dabei helfen, dass das musikbe- geisterte Publikum eines Festivals sich sorglos an den Beats freuen kann – weil die Sicherheitsbehörden die Lage bestens im Blick haben.

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Aus Vision wird Zukunft Die Fraunhofer-Gesellschaft als Innovationsmotor o t o h p k c o t s i / m u g m a : o t o F 80 Prozent der angezeigten Cyberangriffe richteten sich im Jahr 2025 gegen kleine und mittlere Unterneh men. Die sind häufig nicht ausreichend geschützt. 3 | 26 Wussten Sie eigentlich … wie Sie sich vor Cyber angriffen besser schützen können? Das Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Infor- mationsverarbeitung und Ergonomie FKIE hat mit AMIDES ein frei verfügbares Open-Source-System entwickelt, das mithilfe Künstlicher Intelligenz gezielt Cyberangriffe erkennt, die herkömmliche Signatur- prüfungen umgehen. Der Ansatz kombiniert Maschi- nelles Lernen mit bestehenden Sicherheitsregeln und ist darauf ausgelegt, möglichst wenig Fehlalarme zu erzeugen. Die Innovation stärkt die digitale Sicherheit von Unternehmen und anderen Organisationen, da sie bestehende IT-Sicherheitsinfrastrukturen effi- zient erweitert. Gerade Firmen mit einer zentralen Sicherheitsabteilung profitieren von einer praxistaug- lichen, transparenten und kosteneffizienten Lösung zur Cyberabwehr. Fraunhofer-Magazin Das Magazin für Menschen, die Zukunft gestalten Wollen Sie das Fraunhofer- Magazin sofort bei Erscheinen in Ihrem Briefkasten – kostenlos? Nutzen Sie unseren Online-Bestellservice für Print und Digital. Kreislauf- wirtschaft Wie wir Rohstoffe im Fluss halten 5 2 | 3 Prof. Michael Hudecek, Fraunhofer IZI Tür auf ! Neue Wege für die Medizin Bomben-Gefahr Fraunhofer-Software hilft beim Entschärfen Cyberkriminalität Suche nach Sicherheit wird zum Risiko für Forschende zurück zu Seite 1 79 3 | 26Dr. Jan Engels, Fraunhofer IAFKI im TrennungsstressVergessen lernen: So sichern Unternehmen ihre DatenHormus und die FolgenFraunhofer-Forschung für eine sichere VersorgungKollege RoboterDie Chance für unsere WirtschaftKernfusion: Eine Vision, viele Fragezeichen – Fraunhofer-Antworten fürs Hier und JetztDie Energieder Sonne2 | 26Energie? Aber sicher!Alltag unter Strom: So macht Forschung das Netz resilientWeltgefahr DrohneWie akustikbasierte Abwehrsysteme mehr Sicherheit schaffen200. Todestag: Wissenschaft wirdWertschöpfung200. Todestag: Wissenschaft wirdWertschöpfungJoseph von FraunhoferWirtschafts- faktor Weltall Die New Space Economy hebt ab

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Schritt für Schritt in die Zukunft Der Mensch gewinnt in der Arbeitswelt neue Kollegen: Robotik gibt der Künstlichen Intelligenz einen häufig menschenähnlichen Körper. Diese humanoiden Roboter sollen Hilfestellungen in den Fabrikhallen leisten. Wirtschaftlich schaffen sie neue Chancen für Automobilzulieferer und Maschinenbau. Denn deren Stärken in Präzisionsmechatronik, Systemintegration und industrieller Fertigungstechnologie sind besonders gefragt. Vincent Bezold, Fraunhofer IPA