Fokus Elektrotechnik: Der fünfte E-Science-Day an der Hochschule Schmalkalden

Fokus Elektrotechnik: Der fünfte E-Science-Day an der Hochschule Schmalkalden

Tobias Braun

Die Fakultät Elektrotechnik der Hochschule Schmalkalden veranstaltete diesen Sommer bereits zum fünften Mal den E-Science-Day. Dieser Tag soll dazu dienen, der internen Hochschulöffentlichkeit, aber auch dem breiten, öffentlichen Publikum einen Einblick in die Themenbreite und die aktuelle Forschung der Fakultät zu bieten. Vieles in der Wissenschaft klingt zunächst fern, steht den Menschen im Alltag aber durchaus nahe.

Die Elektrotechnik an der Hochschule Schmalkalden beschäftigt sich mit einem breiten Spektrum moderner Technologien – von elektrischer Energietechnik und Automatisierung über Fahrzeugelektronik und eingebetteten Systemen bis hin zu Mikroelektronik, autonomen Systemen und Informationstechnik. Damit verbindet die Fakultät klassische Ingenieurwissenschaften mit Zukunftsthemen wie Digitalisierung, KI, Robotik, Energiewende und moderner Elektronik – praxisnah, innovativ und mit Blick auf konkrete Anwendungen.

Von der Bauüberwachung…

Professorin Maria Schweigel stellte ihr Projekt BauKIRo „Automatische Überwachung des Baufortschritts durch Anwendung von Künstlicher Intelligenz und Robotik“ vor, das drei Jahre lief und mittlerweile abgeschlossen ist. Ziel war es, die Kontrolle von sich im Bau befindlichen Gebäudekonstruktionen zu verbessern. Bislang werden der Baufortschritt und die Planmäßigkeit manuell überprüft, was ein aufwändiger Vorgang in Hinsicht von Zeit und Kosten ist. Zugleich sind Korrekturen umso günstiger, je früher sie im Bauprozess erkannt und angegangen werden.

Der Ansatz des Projektes BauKIRo war es, eine Drohne zu entwickeln, die die Aufgabe der Kontrolle autonom und präzise mit Hilfe künstlicher Intelligenz übernehmen kann. Diese Lösung hat den Vorteil, geringe Kosten mit einer kontinuierlichen Überprüfung der Baustelle zu kombinieren, und zudem den Baufortschritt nicht zu tangieren, weil die Kontrolle der Drohne auch nachts erfolgen kann.

Für die Prüfung wurde auf das Building Information Modell (kurz BIM) zurückgegriffen, das neben dem Abgleich von Plan und Wirklichkeit auch die Koordination der Bewegung innerhalb der Baustelle ermöglichte. Ein Problem war hierbei das Vorliegen der BIM in verschiedenen Formaten, was die Datenverarbeitung verkomplizierte. Da in Gebäuden GPS nur unzureichend verlässlich funktioniert und auch Lösungen über andere Sensoren ungenügend waren, wurde vom Projekt ein auf Semantik beruhender Lokalisierungsansatz gewählt: Markante Punkte wie Türrahmen dienten dabei als Orientierungspunkte der Positionierung, wobei eine Genauigkeit von unter 10cm erreicht werden konnte.

Eine praktische Herausforderung in der Umsetzung war genau diese Bewegung der Drohne innerhalb einer aktiven Baustelle: Wege können verstellt sein, Kabel herunterhängen oder viele weitere Eventualitäten die Erkundung der Drohnen behindern. Hier galt es Schutzmaßnahmen zu ergreifen, ohne dabei das Gewicht und damit die Reichweite der Drohne zu stark zu belasten. Es bedurfte also einer Abwägung zwischen Sicherheit und Aspekten wie Reichweite, die sich in der Konstruktion der Drohne ebenso als Aufgabe stellte wie bei der Auswahl der Sensoren und Bilderkennungshardware.

Neben der Bewegung in den Räumen bestand eine weitere Herausforderung in der Erzeugung und Übersetzung der Bilder in Form Punktwolken hin zu dreidimensionalen Aufnahmen von Gebäuden, die dann mit dem BIM in Deckung gebracht werden konnten. Die möglichst exakte Abbildung war dabei ebenso aufwändig wie die Detektion unbekannter Objekte (u.a. Maschinen). Diese mussten zunächst erkannt, und dann beim Abgleich mit dem BIM wieder exkludiert werden. Da keine entsprechenden Datensätze vorliegen, die die Erkennung solcher Objekte aus dem Kontext „Baustelle“ durch Applikationen künstlicher Intelligenz anleiten können, mussten auch hier angepasste Lösungen wie ein spezielles Deep-Learning-Netzwerk entwickelt werden.

Im Projekt konnte ein Funktionsdemonstrator realisiert werden, der den Anforderungen von aktiven Baustellen gerecht werden kann. Zukünftige Projekte können hier anschließen, und die Möglichkeiten um immer komplexere Technologien und KI-Applikationen erweitern. Neben der Hochschule Schmalkalden beteiligte sich die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg an BauKIRo. Zugleich war es ein IGF-Projekt und wurde über den DLR Projektträger – Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. – mit Mitteln des damaligen Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert.

und der der Entwicklung von Evakuierungshilfen…

Nach diesem vollendeten Projekt ging der Blick auf ein Vorhaben, dass noch an seinem Anfang steht: EvacEye – No Life Unseen. Mit dem Ziel der erfolgreichen Teilnahme am Cosima Wettbewerb geht es Studierenden der Hochschule Schmalkalden um ein wichtiges Thema: Die Vermeidung von Opfern im Brandfall. Im Falle von Bränden ist die Zeit ein kritischer Faktor, und jeder Gewinn an Zeit kann helfen, Evakuierungen zu ermöglichen und Leben zu retten. Bislang geht die Feuerwehr bei ihren Einsätzen manuell vor und orientiert sich nach Raumplänen, die sie nach möglicher Personenzahl priorisieren und abarbeiten muss. Die Idee des Projektes ist nun, die Feuerwehr im Falle eines Einsatzes frühzeitig über die Anzahl und die Verteilung der Personen zu informieren und die Evakuierungen so zu optimieren.

Dabei hatte das Projekt die harschen Umgebungsbedingungen zu bedenken, wie sie zum Beispiel durch Rauch und Dunkelheit entstehen. Anstatt einer kamerabasierten Lösung sollen Radar- und Thermalsensoren über die kombinierte Detektion von Wärme und Bewegung genutzt werden, um die Anwesenheit von Personen zu festzustellen. Hierbei reicht eine geringe Auflösung hin, um die Detektion von Personen verlässlich zu erlauben. Diese Lösung hat auch den großen Vorteil, vom Gesichtspunkt des Datenschutzes her unbedenklich zu sein und aus Sicht der Endnutzer:innen viel niedrigere Hemmschwellen zu haben. Im Brandfall wird das System aktiviert und gibt seine Messungen an die Einsatzkräfte weiter, die dann entsprechend vorgehen können.

Ende des Jahres darf das Team um Leonard Maletzke, Luis Marcus, Karl Schwennicke Plata und Marius Weimann sein Projekt auf der Fachmesse electronica in München präsentieren.

über die MEMS-Integration und die Kontaktierung von Chips…

Nach diesen beiden Vorträgen schloss sich ein Vortrag an, der sich in dem speziellen Themenfeld des Waferbondens bewegt, wobei zwei hauchdünne Halbleiterscheiben (Wafer) dauerhaft miteinander verbunden werden, um daraus komplexere elektronische oder mikrotechnische Bauteile herzustellen. Das Verfahren ist eine Schlüsseltechnologie etwa für Mikrochips, Sensoren, Leistungselektronik und die Mikrosystemtechnik, weil sich damit unterschiedliche Materialien und Funktionsebenen präzise und kompakt miteinander kombinieren lassen.

Arti Rana, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Hochschule Schmalkalden, befasste sich mit einem speziellen Verfahren der Versiegelung und Integration mikroelektromechanischer Systeme (MEMS), dem anodischen Bonden, und der Frage der Eigenschaften eines spezifischen Materials. Beim anodischen Bonden wird zur Erzeugung der Verbindung, der hermetischen Abschließung und Verkapselung der Bauteile, Glas genutzt. Das hierfür genutzte Material muss genuine Eigenschaften aufweisen und Qualitätsmaßstäben genügen, um für diese Zwecke nutzbar zu sein.

Arti Rani untersuchte das spezifische Verhalten eines neuen Glases der Firma Schott, Borofloat 33 HT, im Vergleich zu dem Standardglas desselben Unternehmens. Gerade für eine industrielle Hochskalierung müssen die Materialeigenschaften im Detail untersucht werden, was neben dem Verhalten im Produktionsprozess, also dem Bonden, auch die mittel- und längerfristige Haltbarkeit anbetrifft.

Macjonathan Okereke, der ebenfalls an der Hochschule Schmalkalden wissenschaftlicher Mitarbeiter ist, stellte seine Untersuchung sogenannter Under-Bump-Metallisierungen (UBM) vor, die ebenfalls spezifische Materialeigenschaften aufweisen müssen. Kurz gefasst befasst er sich mit dem direkten Löten zur Montage und Kontaktierung von Chips auf Leiterplatten. Um aus dem Wafer herausgesägte Chips als moderne Alternative zum klassischen Chip- und Drahtbonden in Gehäusen direkt auf Leiterplatten verlöten zu können (wichtig für kleinste Bauformen), ohne eine umgebende Verkapselung zu verwenden, braucht es speziell angepasste Kontaktstellen: Eine Möglichkeit ist die Aufbringung kleiner Lötperlen, über die dann die Verbindung mit dem Bauteil erzeugt wird. Im Fokus der Arbeit von Macjonathan Okereke steht der Bereich unter den Perlen, und damit die Verbindung zum Wafer. Bei Under-Bump-Metallisierungen handelt es sich um dünne Metallschichtschichtsysteme auf dem Halbleiterchip, die als stabile Brücke, als Haftvermittler und als Schutzschicht zwischen den Aluminium- oder Kupfer-Kontakten des Chips und den Lötperlen (Bumps) dient und das bei bestimmten Verbindungs- und Integrationsprozessen zur Anwendung kommt und eine direkt lötfähige Chipmetallisierung darstellt.

Bei diesem Verfahren wird allerdings bislang ein Galvanik-Prozess genutzt, der ökologisch wenig nachhaltig und zugleich aufwändig ist. Ziel der Arbeit war der Nachweis, dass sich auch das Sputter- Prozesse eignen, also Kathodenbestäubung. Hier wird im Vakuum Material von einem Target herausgelöst und als hauchdünne Schicht auf einem Wafer abgeschieden – etwa, um Oberflächen für die Kontaktierung gezielt mit Metallen oder anderen Materialien zu beschichten. Wie die Untersuchung zeigt, eignet sich dieses Verfahren zur Herstellung qualitativ hochwertiger UBMs und ist somit eine umweltfreundlichere und kostengünstigere Alternative zu galvanisch abgeschiedenen Schichtsystemen.

bishin zu Drohnen und humanoiden Roboter

Dr. Vitas Grimaila ist ein assoziierter Professor im Department der Elektrotechnik an der Technischen Universität Kaunas (KTU), einem engen Kooperationspartner der HSM, und befasst sich mit dem Themengebiet der Drohnenabwehr sowie der Entwicklung entsprechender Systeme. Drohnen sind längst zentraler Bestandteil kriegerischer Auseinandersetzungen, und nehmen somit einen großen Raum in der zukünftigen Gefahrenabwehr ein. Die Entwicklung der Drohnentechnologie ist dabei ebenso dynamisch wie die Varianz ihrer Ausführungen.

Systeme der Drohnenabwehr haben die Aufgabe, dieser Komplexität gerecht zu werden und die von Drohnen ausgehende Gefahr zu minimieren. Hierzu müssen diese Systeme zugleich präzise, verlässlich und schnell arbeiten. Am Anfang steht die Detektion über eine Kombination verschiedener Sensoren, und anderem von Radiowellen und die Rezeption von Propellersignaturen. Im Anschluss muss die Drohne identifiziert bzw. klassifiziert werden, um falsche Detektionen auszuschließen und adäquate Gegenmaßnahmen einzuleiten. Durch eine Verfolgung und die Aufbereitung von Telemetriedaten werden die Bewegung der Drohne berechnet und eine günstige Gelegenheit für das Abfangen ausgegeben. Am Ende steht dann das Abfangen, dass von Störungen der Flugbahn bis zur Unterbrechung der Kommunikation zwischen der Drohne und der Satellitennavigation reicht. Für die Gegenmaßnahmen ist es wiederum zentral, dass die Klassifikation der Drohne stimmt.

André Lopes und Professor Christoph Menz stellten ein Projekt vor, das sich einen neuartigen Ansatz der Instruktion von humanoiden Robotern widmet, in diesem Fall dem Training von Bewegungen. Die Bewegungsabläufe sind bei diesen Robotern äußerst komplex, was unter anderem in der diffizilen Koordination vieler Gelenke und Motoren begründet liegt. Das ambitionierte Ziel des Projektes war es, Roboter Bewegungen per Video erlernen zu lassen, und diese nicht umständlich eingeben zu müssen. Eine zentrale Herausforderung bei diesem Unternehmen bestand in der Koordination der verschiedenen Komponenten und Prozesse, und der Vermeidung von Bewegungen, aus denen Schäden entstehen könnten.

Um dieses Problem zu lösen, erwies es sich als sinnvoll, zwei Bereiche zu trennen: Zunächst wurde ein Katalog (Datensatz) möglicher und sicherer Bewegungen des Roboters in Form von Vektoren angelegt. Zugleich wurde eine Bewegungserkennung entwickelt, die einen Fokus auf die Intention der Bewegung, also das zu erreichende Ziel, legt. Der Roboter sollte die Bewegung im Video also erkennen und wiederholen, und bei der Imitation auf den Katalog möglicher Handlungen zurückgreifen. Dabei wurde zusätzlich Wert auf einen Aspekt der Flexibilität gelegt: Die optimale Kombination an Bewegungsabläufen wird in Echtzeit berechnet und kann auf Faktoren (wie Hemmnisse auf dem Weg) reagieren.

Ausblick und Fazit

Im Anschluss stellen Dominik Müller vom Sonneberger Unternehmen HySON und Professor Martin Schreivogel aktuelle Entwicklung der Hydrogen-Forschung vor. Da hierbei auch eine neue Lehr- und Forschungsanlage vorgestellt wurde, werden wir uns mit dieser Thematik in einem besonderen Beitrag befassen.

Die Beispiele des E-Science-Day zeigen eindrücklich, wie vielfältig und anwendungsorientiert die Forschung an der Fakultät Elektrotechnik der Hochschule Schmalkalden ist. Ob intelligente Drohnen, digitale Baustellen, moderne Halbleitertechnologien, innovative Sensorsysteme oder lernfähige Roboter – die vorgestellten Projekte verbinden wissenschaftliche Grundlagen mit konkreten Fragestellungen aus Wirtschaft und Gesellschaft. Gerade diese Verbindung macht sichtbar, welchen Beitrag anwendungsorientierte Forschung an der Hochschule leisten kann: Sie schafft neues Wissen, entwickelt daraus praktische Lösungen und eröffnet zugleich neue Perspektiven für zukünftige Technologien.

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Wie man Fußballfelder in kleinen Kristallen unterbringt, und was das mit dem Klimawandel zu tun hat. Über das Forschungsprojekt „CO₂ Separation“

Wie man Fußballfelder in kleinen Kristallen unterbringt, und was das mit dem Klimawandel zu tun hat. Über das Forschungsprojekt „CO₂ Separation“

Tobias Braun

Der Sommer des Jahres 2026 hat uns die Folgen des Klimawandels einmal mehr deutlich vor Augen geführt: Eine langanhaltende Trockenheit und intensive Hitzewellen sorgten nicht nur mehrere tausend Hitzetote, sondern auch für ökologische und ökonomische Beeinträchtigungen, zum Beispiel die eingeschränkte Nutzbarkeit der Schifffahrtswege. Die Anstrengungen hin zu einer umfassenden Transformation in Richtung „Nachhaltigkeit“ haben so wieder an Relevanz und Dynamik gewonnen. Wichtig ist, diese Transformation nicht auf die Bereiche Verkehr und Energiegewinnung zu beschränken, sondern sie als ganzheitliches Projekt zu denken.

Ein weiterer zentraler Hebel ist die Industrie, die große Potentiale für die ökologische Transformation birgt. Ein Anfang ist hier bereits mit dem Zertifikatshandel und dessen Lenkungswirkung gemacht: Umweltverschmutzung wird hierbei an Ausgleichszahlungen gebunden, und durch eine Verknappung der vergebenen Zertifikate die Preise und damit Kosten immer weiter erhöht. In der Folge lohnt sich auch für die Industrie die Orientierung an Prinzipien der Nachhaltigkeit immer mehr.

Vor besonderen Herausforderungen steht dabei die Zementproduktion: Die Zementindustrie ist einer Hauptverursacher von Kohlenstoffdioxid, welches einen zentralen Einfluss bei globalen Erderwärmung innehat. Wäre diese Produktion ein Staat, wäre ihr CO₂ auf Platz drei nach China und US-Amerika. Somit bieten sich für innovative Ansätze hier enorme Wirkungsräume und Skalierungseffekte.

Die Membran im Fokus

Einsatzort: Zementwerke

Um am Anfang zu beginnen: Aufgrund seiner Materialeigenschaften wie Festigkeit und Dauerhaftigkeit und seiner breiten globalen Verfügbarkeit ist Zement bzw. Beton einer der meistgenutzten Werkstoffe. In Zementwerken werden Kalkstein und Ton (und teils Korrekturmaterialien) zu einem Rohmehl gemahlen und anschließend auf etwa 1450 °C erhitzt. Die Materialien verschmelzen hierbei teils, und der sogenannte Zementklinker entsteht. Der wird nun wiederum zu Endprodukt verarbeitet, wobei auch hier wiederum verschiedene Materialien mit spezifischen Eigenschaften hinzugefügt werden können, je nach Anwendungsgebiet.

In diesem Produktionsverfahren werden große Mengen des im Kalk gebundenen Kohlenstoffdioxids freigesetzt, was mit 2,7 Milliarden Tonnen immerhin rund 8 % des Gesamtausstoßes der Menschheit umfasst. Die Motivation für die Industrie, diese immense Verschmutzung zu minimieren, ist evident.

Ein Weg ist die chemische Abscheidung des Kohlenstoffdioxids aus der Abluft. Einerseits ist dieses Verfahren bereits etabliert, andererseits ist es aufwändig und aufgrund hoher Energiekosten nicht wirklich effizient. Im Ergebnis liegt jedenfalls Kohlenstoffdioxid in flüssiger Form vor, dass wiederum unterirdisch gelagert werden kann. Somit sparen sich die Unternehmen den Einkauf eines Teils der Zertifikate, was durch den Verteuerungsautomatismus immer attraktiver wird.

Einen anderen Ansatz verfolgt das Team vom Projekt „CO₂ Separation“: Nicht chemische Prozesse sollen die Umwandlung sollen laut Harshil Mistry, Manuela Rios und Martin Elsmann antreiben, sondern spezielle Membranen, die das Kohlenstoffdioxid aus der Abluft herausfiltern. Auch dieses Verfahren ist bereits in der Industrie etabliert. Um hier der geringen Effizienz zu begegnen, will das Team eine vielversprechende Innovation aus dem Bereich der Chemie aufgreifen: MOFs.

Von links nach rechts: Harshil Mistry, Martin Elsmann und Manuela Rios

Die erstaunliche Weite innerer Oberflächen

MOF ist die Abkürzung für metallorganische Gerüste bzw. Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks): Für diesen Ansatz der Erzeugung spezifischer chemischer Verbindungen wurden 2025 die Wissenschaftler Prof. Omar M. Yaghi (University of California), Prof. Susumu Kitagawa (Kyoto University) und Prof. Richard Robson (University of Melbourne) mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Beruhend auf einer Idee vom Ende der Fünfziger Jahre kam der Durchbruch der retikularen (netzwerkartigen) Chemie erst knapp vierzig Jahre später: Durch die Verwendung anderer Komponenten wurde die Stabilität der Gerüste massiv erhöht, was ihre sinnvolle Verwendung überhaupt erst möglich machte.

Die MOFs bestehen aus anorganischen Knotenpunkten und organischen Molekülen, die als Verbindungselemente (Linker) dienen. Ihre Zusammensetzung ist variabel und zeichnet sich durch jeweilige Eigenschaften und Besonderheiten der Strukturen aus. Das innovative Potential dieser kristallinen Materialien könnte Lösungen für drängende Probleme unserer Gegenwart bereithalten: MOFs arbeiten wie Schwämme und können aus der Luft Kohlenstoffdioxid und Wasser aufnehmen. Sowohl der Verschmutzung der Umwelt mit dem Treibhausgas Kohlenstoffdioxid als auch einem zukünftigen Mangel an Wasser könnte mit diesem Ansatz begegnet werden.

Es ist gerade die Porosität der MOFs, der es den Gerüsten möglich, diese Stoffe in massiven Mengen aufzunehmen.  Die geringe Größe dieser Moleküle machte es anderen Ansätzen unmöglich, hier erfolgreiche Lösungen zu entwickeln. Nanoporöse MOFs bilden sich in kristalliner Form und haben eine immense innere Oberfläche. Ein einzelnes Gramm des MOF-200 hat eine innere Oberfläche von 6000 Quadratmetern, MOF-210 steigert dies auf über 10.000 Quadratmeter. Dies wäre die Fläche eines üblichen Fußballfeldes, das in der Kugel MOF-210 Platz finden könnte. Weil das Material somit enormen Platz bietet, ist es ideal zur Aufnahme, Filterung und Speicherung von Gasen geeignet.

Wie schon anklang, gibt es nicht ein MOF, sondern viele verschiedene Typen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Materialeigenschaften. Nicht nur werden die etablierten MOFs immer weiter verbessert und an ihre Aufgaben angepasst, auch an den noch wenigen instabilen Verbindungen wird weiter geforscht. Im Falle der CO₂-Speicherung ist das Ziel, die Speichermenge zu optimieren, robuste Strukturen zu schaffen und langlebige Prozesse der Aufnahme und Abgabe zu garantieren. Zugleich muss sich das Material auch resilient gegenüber Einflussfaktoren wie Wasser, Chemikalien und Hitze zeigen, die im Prozess auftreten.

Der Firma BASF ist mittlerweile gelungen, MOFs in einem industriellen Maßstab herzustellen, und für die CO₂-Abscheidung zu nutzen. Somit wurde grundsätzlich bewiesen, dass sich MOFs in einer Menge herstellen lassen, die eine industrielle Transformation als Voraussetzung hat. Eine solche industrielle Hochskalierung ist ein Schritt, der für das Forschungsprojekt an der HSM noch in einiger Entfernung liegt. Und im letzten Abschnitt kommen wir nicht nur zum innovativen Ansatz des Schmalkalder Projekts, sondern auch dazu, wie sich die Themen Zementwerke und MOFs verknüpfen lassen, : Mit Hilfe sogenannte Mixed-Matrix-Membrane.

Versuchsaufbau und ein Graph zur Verteilung von Gasen während der Durchleitung durch die Membran

Komplexe Aufgaben, komplexe Membrane

Die Filterung der Abgase wird über Membrane geleistet. Gewöhnliche, reine Polymer-Membrane können die Separation einerseits energieeffizient durchführen, andererseits sind diese Verfahren aber in der Abwägung von Selektivität und Durchlässigkeit beschränkt. In anderen Worten lässt sich der Durchfluss der Gase und Herausfilterung spezifischer Stoffe nicht immer optimal gestalten. Hinzukommt, dass auch die Performanz der Membrane über die Zeit abnimmt.

Mixed-Matrix-Membrane kombinieren ein organisches Polymer mit einem porösen Additiv im Sinne einer eingebrachten zweiten Phase in der Membran. In MMMs kann die Durchleitung ebenso effizient geleistet werden wie die punktgenaue und anpassungsfähige Separation bestimmter Moleküle, was einen entscheidenden Vorteil darstellt. Zugleich wird hier bei nur ein Bruchteil der Energie üblicher industrieller Separationsprozesse benötigt. Wichtig ist dabei im Kontext der Industrie, die Langlebigkeit der Materialien sicherstellen zu können: Die Membrane sollten also idealiter defektfrei, selektiv und hochdurchlässig sein sowie gegenüber hohen thermalen, mechanischen und chemischen Einflussfaktoren unempfindlich sein.

Neben anderen Materialien kann das poröse Additiv auch aus MOFs gebildet werden, wobei die immense Porosität ebenso einen Vorteil bietet wie die energieeffiziente Entbindung der in den Poren gespeicherten Moleküle, zum Beispiel im Vergleich zu Zeolithen. Wichtig ist dabei nicht nur, das passenden MOF für die jeweilige Aufgabe zu finden, sondern auch die Verarbeitbarkeit im Sinne einer MMM sicherzustellen.

Das Projekt „CO₂ Separation“

Und dies ist nicht zuletzt eine Herausforderung, der sich das Team des Projektes „CO₂ Separation“ stellt. Eine weitere Aufgabe ganz im Geiste einer anwendungsorientierten Hochschule ist es, die Technologie so zu entwickeln, dass sie mit minimalem Aufwand in bereits bestehende Anlagen integriert werden kann. Zugleich bietet die Installation und die Wartung Potentiale für eigenen Geschäftsbereich. Bevor es soweit ist, muss zunächst die grundlegenden technologischen Herausforderungen gemeistert werden. Nachdem bereits die ersten MOFs erzeugt werden konnten und erste Tests mit einer vom Fraunhofer IKTS Institut Hermsdorf bereitgestellten Membrane erfolgreich absolviert wurden, ist der nächste Schritt, ein System für das Drucken der Membran zu entwickeln, um MMMs herstellen zu können. Die nächste Herausforderung besteht darin, den komplexen Prozess des Bedruckens der Membrane beherrschen und die Qualität garantieren zu können.

Das „„CO₂ Separation“ Projekt wird vom „exist“-Programm des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie und der Europäischen Union über den Europäischen Sozialfonds Plus gefördert. Das Förderprogramm „exist“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) soll wissenschaftliche und technologische Innovationen aus Hochschulen und Forschungseinrichtungen in erfolgreiche, marktfähige Start-ups überführen. Dabei unterstützt es Gründungsinteressierte unter anderem finanziell, durch Coaching und Netzwerke, um Gründungsvorhaben zu entwickeln und die Innovations- und Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands zu stärken.

Das Forschungsprojekt „CO₂ Separation“ zeigt exemplarisch, wie wichtig ein interdisziplinärer Ansatz ist, um komplexe Herausforderungen wie den Klimawandel zu bewältigen. Die Entwicklung innovativer Membranen verbindet chemische Grundlagenforschung mit materialwissenschaftlichen Fragestellungen, ingenieurtechnischer Umsetzung und wirtschaftswissenschaftlicher Expertise, die für die Überführung technologischer Innovationen in tragfähige Geschäftsmodelle und die Gründung eines Start-ups von zentraler Bedeutung ist. Zugleich verdeutlicht das Projekt, welches Potenzial in der Fächervielfalt der Hochschule Schmalkalden (HSM) liegt: Wo unterschiedliche Fachperspektiven zusammenkommen, können aus wissenschaftlichen Erkenntnissen anwendungsorientierte Lösungen entstehen, die ökologische Verantwortung mit technologischer Innovation und unternehmerischem Denken verbinden. So wird interdisziplinäre Zusammenarbeit zu einem wichtigen Baustein, um Forschung in konkrete Beiträge zur nachhaltigen Transformation zu überführen.

Die rechtliche Kartierung eines Neulands. Wie funktioniert das Recht im digitalen Raum?

Die rechtliche Kartierung eines Neulands. Wie funktioniert das Recht im digitalen Raum?

Tobias Braun

Die transformativen Potentiale der Digitalisierung sind in weiten Bereichen unserer modernen Gesellschaften bereits spürbar: Bereits an der stetigen Verbreitung und intensivierenden Nutzung von Chatbots ist die zunehmende Relevanz von digitalen Technologien im menschlichen Alltag zu erahnen. Das Phänomen der Digitalisierung ist dabei nicht nur vergleichsweise neuen Ursprungs, sondern befindet sich zudem selbst in einem steten Wandlungsprozess. Die Veränderungen betreffen neben unserem Kommunikations- und Konsumverhalten auch andere Bereiche wie unsere Rechtsordnungen.

Die Digitalisierung schafft neue Realitäten, nicht nur für Individuen, sondern auch für Unternehmen und viele weitere Bereiche des Sozialen. Neben den kreativen und progressiven Impulsen, die von den digitalen Technologien ausgehen, bedarf es im selben Schritt normativer, politischer und nicht zuletzt rechtlicher Rahmen und Schranken, um negativen Effekten und Gefahren entgegenzuwirken. Bei diesen Folgen handelt es sich allerdings um keinen einheitlichen Typus, vielmehr umfasst ihre Bandbreite unter anderem Diebstähle von Daten und die Verbreitung von Produktfälschungen, aber auch anonyme Beleidigungen und Bedrohungen sowie Formen von Suchtverhalten und Depressionen bis hin zu Szenarien vom Ende der Demokratie[1].

Mit dem Recht im digitalen Raum und speziell im Zuschnitt der Künstlichen Intelligenz befasst sich Professor Karsten Löw, der seit dem letztem Jahr den Lehrstuhl „Wirtschaftsrecht, insbesondere das Recht der Digitalisierung sowie Handels- und Gesellschaftsrecht“ an der Hochschule Schmalkalden innehat. Wenn wir auf die eingangs erwähnten Chatbots zurückkommen, stellt sich in diesem Kontext zum Beispiel die Frage, wer bei Fehlinformationen einer solchen Applikation für Schäden haften muss: Der Nutzende, der Anbieter, die Entwickler, die Bereitsteller der Trainingsdaten usw.? Eine offene Frage, die so virulent wie komplex ist.

Die Digitalisierung der Gesellschaft

Jede Beschäftigung mit den mannigfaltigen digitalen Transformationsprozessen steht vor der nicht unbeachtlichen Herausforderung permanenter Veränderung, wodurch sich der Halt im Begreifen notwendig lockert. Allein die jüngsten Nachrichten zu Anthropic, angefangen beim Mythos-Modell und der Gefahr einer automatisierten Auffindung von Sicherheitslücken, über die Einschränkungen durch die US-amerikanische Administration und deren Aufhebung, geben einen Eindruck von der Schnelllebigkeit.

Von bleibender Aktualität ist eine ungewöhnliche Warnung eben jenes Unternehmens: Es bestünde die Gefahr einer Verselbstständigung der Künstlichen Intelligenz, wenn deren Erforschung weiter so energisch und unreguliert voranschreite. Diese Mahnung gipfelte im Plädoyer, die Entwicklung zu pausieren und einen globalen Kodex zu entwickeln, was den Gesellschaften auch die Möglichkeit gäbe, sich an die neuen Technologien zu gewöhnen und einen kritischen Umgang zu entwickeln. Neben dem gewiss bestehenden Risiko einer Marketingkampagne lässt sich festhalten, dass die notwendige Bedingung, dass zumindest alle großen KI-Tech-Unternehmen kooperieren müssten, kaum zu erfüllen ist. Ähnliches gilt für die jüngsten Berichte über unerwünschte Übergriffe der KI´s zweier Unternehmen: Die mögliche Verselbstständigung der Künstlichen Intelligenz markiert ein Gefährdungspotenzial in unserer digitalen Moderne, auf das es noch Antworten auf vielen Felder und Ebenen zu finden gilt.

Das Recht im digitalen Raum

Mit dem rasanten technologischen Fortschritt gehen also immer Risiken einher: Wie der Fall um Collien Fernandez deutlich machte, stellte die Schnelligkeit technologischer Entwicklung Rechtssysteme vor Probleme. Den konkreten Fall beiseite gelassen wurden hier Lücken in der Rechtsanwendung deutlich, und mithin die mitunter diffizile Regulation des digitalen Raums durch das Recht sowie die Rückbindung in die analoge Wirklichkeit. Die grundlegende Frage, die sich in diesem Zusammenhang eröffnet, geht über die rechtliche Ahndung von Vergehen im Cyberspace hinaus und verweist auf die Notwendigkeit einer prinzipiellen Ordnung des digitalen Raums, was neben politischen und rechtlichen auch normative Horizonte impliziert. Bereits die fehlende Dinglichkeit des Digitalen verlangt eine Rejustierung des Rechts in Hinsicht dieser Anwendungsbereiche wie unter anderem dem Vertrags- und Eigentumsrecht, die im digitalen Raum neu bzw. adaptiert interpretiert werden müssen. Das Forschungsgebiet von Karsten Löw hat also eigene Herausforderungen, die in der Singularität, der Aktualität sowie der Transformabilität des Gegenstandes begründet liegen, und die durch die wechselseitigen Bezüge zu anderen Rechtsfeldern, in denen die Digitalisierung an Einfluss gewinnt, noch verstärkt werden.

Das Verhältnis von Recht und digitalem Raum, welches in dieser Disziplin im Fokus steht, ist komplex, fragmentiert und noch allzu vage. Auf der einen Seite steht das Recht mit seinen differenzierten, kodifizierten Rechtskorpora. Über Gesetze, Vorschriften und andere Regelungen schafft das Recht einen verlässlichen, nachvollziehbaren und sanktionsbewehrten Rahmen, der menschliches Zusammenleben in verschiedenen Bereichen zu ordnen hilft. Auf der anderen Seite steht die digitale Welt, die bisweilen genuin anderen Imperativen zu unterliegen scheint. Das Internet hat auch in unserer Gegenwart kaum etwas von seinem anarchischem Grundcharakter der frühen neunziger und nuller Jahre verloren. Der schieren Fülle von Angeboten und Möglichkeiten steht eine breite Sphäre der Illegalität und Halblegalität einer Art „Wilden Westens“ gegenüber. Die hohe Veränderungsgeschwindigkeit und Innovativität des Digitalen macht es der Rechtsordnung nicht eben leicht, passende und anwendbare Regulationen bereitzustellen. Als weitere Komplexitätssteigerung kommt hinzu, dass das Internet sui generis ein weltweites Netzwerk ist, und die Grenzen nationaler Gesetzgebung der Tendenz nach überschreitet. Regelungen sind deswegen nicht obsolet, sie müssen diese Konditionen aber beachten.

Daten im Zivilrecht

Ein großer juristischer Bereich neben dem Strafrecht ist das Privatrecht, auch Zivilrecht genannt, das vereinfacht gesagt die rechtlichen Beziehungen zwischen natürlichen und juristischen Personen, also Unternehmen, regelt und das Rechtsgebiete wie das Erbrecht,Handelsrecht, Familienrecht, Arbeitsrecht oder auch das Sachenrecht umfasst. Die Digitalisierung schafft selbstredend auch hier neue Regelungsbedarfe. Eine offene Frage ist, was der Status von Daten im Zivilrecht ist und wie sich ihre rechtliche Regelung ausgestaltet.

Ohne einen dezidierten Ort im Zivilrecht zu haben, sind Daten Gegenstand zivilrechtlicher Fragestellungen, wobei ihre Bedeutung im Zuge der digitalen Transformation absehbar noch zunehmen wird. Daten sind in Gegensatz zu anderen Gütern nicht rival, dass heißt, sie lassen sich problemlos durch mehrere Personen nutzen. Daten lassen sich kopieren, verbreiten und zur Verfügung stellen, was sie von den meisten anderen Gütern unterscheidet. Zugleich haben Daten keinen festen Ort: Zwar können sie als kodierte Informationen auf Datenträgern vorliegen, dennoch fallen beide Instanzen nicht zusammen und lassen sich trennen (also die Daten kopieren etc.). Letztlich gibt es  gegenwärtig kein Eigentumsrecht an Daten.

Daten können aber durchaus als Gegenstand von Verträgen geregelt werden, also zum Beispiel Trainingsdaten, die über Cloud Dienste erworben werden. Auch ohne Dinghaftigkeit von Daten oder ihren Trägern greifen hier Vorschriften über den Sachkauf. Auch die Frage der Haftung bei mangelhaften Apps sowie die Aufkündbarkeit von Nutzungsverträgen werden hier geregelt. Eine – mittlerweile geklärte – Frage in diesem Kontext ist, ob das Leistungsstörungsrecht greift, wenn die Vergütung in Form personenbezogener Daten geleistet wird. Eine neuartige Regelung eröffnet der Data Act, der es dem Nutzer:innenn von Produkten wie PKWs erlaubt, die vom Fahrzeug gesammelten Daten des Fahrverhaltens selbst zu verwenden, mit Dritten (wie Werkstätten) zu teilen und der Nutzung zustimmen zu müssen.

Anhand dieser Beispiele lässt sich die bereits gegebene Rolle von Daten im Zivilrecht ablesen. Wie abzusehen ist, muss diese Rechtsposition infolge der zunehmenden Relevanz von Daten weiter konkretisiert werden. Auf politischer Ebene ist die Einsicht und der Wille erkennbar, diesen Bereich durch ein „Daten-Gesetzbuch“ neu aufzustellen. Um der Fragmentierung des rechtlichen Umgangs mit Daten in verschiedenen Regelungszusammenhängen wirksam zu begegnen, wäre dies ein erster Schritt. Wie ein anderes Themenfeld zeigt, ist die Kohärenz der politischen Vorgaben aber ein entscheidender Aspekt.[2]

Gut gemeint und gut gemacht…

Der Grundgedanke scheint so klar wie unterstützenswert: Software und Applikationen, die auf Modellen Künstlicher Intelligenz beruhen, und die sich den Prinzipen des Open Source, also Transparenz, freier Zugang und Quelloffenheit, unterwerfen, sollen durch rechtliche Regelungen unterstützt werden. Diese Privilegierung meint hier konkret Bereichsausnahmen, also dass diese Software aus dem Anwendungsbereich von Gesetzen und Regeln ausgenommen wird.[3] Kurzum unterliegen sie folglich weniger strengen Vorgaben als ihre kommerzielle Konkurrenz, was diese Angebote und ihre innovativen Impulse fördern soll. Das Problem ist allerdings nach Karsten Löw, dass die Rahmengesetzgebung ein inadäquates Verständnis von Open Source nutzt, wodurch die Maßnahmen nicht greifen und die politischen Impulse konterkariert werden.

Zunächst lassen sich im Hinblick auf die Offenheit drei KI-Modelle unterscheiden: Auf der einen Seite stehen geschlossene Varianten, die keine Codes, Gewichte oder Daten veröffentlichen. Auf der anderen Seite stehen vollständig offene und reproduzierbare Modelle, die neben den Gewichten und den Trainingsdaten mitunter auch den Trainingsprozess öffentlich machen (Open Weights). Die dritte Variante liegt dazwischen: Es handelt sich um Modelle, die zumindest einen Teil, zumeist die trainierten Modellparameter, öffentlich zugänglich machen. Der eigentliche Trainingscode und die Parameter der Datenverarbeitung bleiben indes verschlossen. Die für eine Reproduzierbarkeit notwendige Transparenz erreicht mithin nur die zweite Variante.[4]

Ein grundlegendes Problem ist nach Karsten Löw, dass Open Source mit einer ausbleibenden Monetarisierung enggeführt wird. Es geht mithin nicht um die Verfügbarkeit und Transparenz, sondern um eine Distanz zur kommerziellen Verwertung. Einerseits ist hieran problematisch, dass diese nicht-kommerziellen Varianten schon per se aus den Reglungszusammenhängen fallen, da diese an eine wirtschaftliche Tätigkeit oder eine Gegenleistung gebunden sind. Andererseits verkenne dieser Ansatz die ökonomische Logik moderner Plattformstrategien: Große Anbieter erlauben zwar die nicht-kommerzielle Verbreitung bestimmter Angebote, diese sind Teil eines umfassenden Ökosystems, in welches so Nutzer:innen gelockt werden sollen. Start-Ups hingegen, die im eigentlichen Fokus der Förderung stehen, können sich diesen Verzicht auf eine  Monetarisierung nicht leisten. Auch wenn diese ansonsten alle Maßstäbe der Open Source wie Transparenz, freie Zugänglichkeit und Reproduzierbarkeit erfüllen, reicht dies nicht hin.

Karsten Löw plädiert in der Schlussfolgerung dafür, die einseitige Bindung an die Nicht-Monetarisierung als Maßgabe für eine rechtliche Privilegierung fallenzulassen, und eher den Blick ungeachtet der etwaigen Existenz von Geschäftsmodellen auf die tatsächliche Zugänglichkeit, Überprüfbarkeit und Entwickelbarkeit der KI-Modelle zu legen. Dies wäre der Weg, dem Sinn der Ausnahmen zu genügen, der Open Source Software fördern will und so auch einen Beitrag zur Europäischen digitalen Souveränität leisten kann

Das Verhältnis von Fortschritt und Kontrolle

Um ein letztes Schlaglicht auf einen weiteren Bereich zu werfen, soll es nun um zwei Aspekte der Governance, also der politischen Steuerung und Kontrolle von mitunter hochriskanten KI-Systemen gehen. Dies meint KI-Modelle, von denen im Missbrauchsfall ein enormes Gefährdungspotential ausgeht. Auf der einen Seite stehen Unternehmen der Hochtechnologie, die sich der Aufsicht und Kontrolle entziehen, und auf der anderen Seite ein Aufsichtsgremium, das institutionelle Defizite aufweist. Beide Befunde zusammen ergeben das Bild von Versäumnissen in der KI-Governance, die mittel- und langfristig schwerwiegende Folgewirkungen zeitigen könnten.

Wir hatten das Mythos-Modell von Anthropic bereits erwähnt, allerdings nicht, dass das Unternehmen die Technologie nur an ausgewählte staatliche Stellen und Unternehmen weitergegeben hat. Die Begründung erfüllt den Tatbestand einer zum Sprichwort geronnenen Aussage des ehemaligem Bundesinnenministers Thomas de Maizière, wonach Teile der Antwort die Bevölkerung verunsichern könnten: Es bestünde ein erhebliches Sicherheitsrisiko durch das Programm, könne es doch automatisiert Sicherheitslücken ausmachen. Das Gefährdungspotential auch für den Bereich kritischer Infrastruktur ist offenkundig, und wird durch die zunehmende Digitalisierung nur noch massiver. Aus Sicht der Governance ergibt sich das Problem, dass sich diese Technologie in Händen eines Unternehmens befindet und dieses über die Verbreitung entscheidet.

Auf europäischer Ebene wird diesem Versuch, sich der Kontrolle zu entziehen, nur unzureichend begegnet, was Löw als strukturelle Blindheit bezeichnet, die zudem selbstverordnet ist. Kurzum erstreckt sich der Anwendungsbereich der KI-Verordnung (AI Act) der EU nur auf jene KI-Systeme, die im europäischen Binnenmarkt in den Verkehr gebracht wurden. Am Beispiel Mythos zeigt sich, dass einerseits ein KI-System relevante Auswirkungen auf die EU-Staaten hat, andererseits aber die Regulation nicht greift, wurde die Technologie schlicht nie auf den europäischen Markt gebracht. Die Notwendigkeit, auf internationaler Ebene verbindliche Regeln zu definieren und Mechanismen ihrer Einhaltung zu etablieren, erscheint somit so rational wie dringlich geboten.

Aber nicht nur der Kontrolle auf europäischer Ebene können Defizite attestiert werden, auch die Aufsichtsbehörden der Bundesrepublik stehen in der Kritik. Im Rahmen des AI-Acts wurden die Staaten verpflichtet, Aufsichtsstrukturen für KI-Technologien zu schaffen. In der Bundesrepublik ist die Bundesnetzagentur damit beauftragt, das Marktüberwachungs- und Innovationsförderungsgesetz umzusetzen. Ein Teil dessen ist die Schaffung einer unabhängigen KI-Marktüberwachungskammer, deren Zuständigkeit besonders sensible Bereiche wie Strafverfolgung, Grenzmanagement und die Justiz umfasst. Wie der bereits gestartete Einsatz der Palantir-Software in Hessen und Bayern zeigt, ist die Einrichtung solcher unabhängiger Aufsichtsgremien dringend geboten. Diese Unabhängigkeit kann aber bezweifelt werden, ist die Kammer doch organisatorisch und institutionell Teil der Bundesnetzagentur. Diese Mängel wiegen umso schwerer, als dass sie im Zweifel grundrechtssensible Bereiche tangieren.

Es lässt sich am Ende dieses kurzen Einblicks in den Forschungsbereich von Karsten Löw festhalten, dass sich mit diesem hochdynamischen Feld einige Herausforderungen verbinden, aber diese Arbeit zugleich mit einem Höchstmaß an gesellschaftlicher Relevanz verknüpft ist. Die Potentiale der Digitalisierung sind ebenso groß wie die Risiken, die von ihrem Missbrauch ausgehen.

[1] https://www.deutschlandfunk.de/trailer-tech-bro-topia-102.html

[2] Für interessierte Leser:innen gibt es hier mehr: Karsten Löw, Daten im Zivilrecht, Juristische Arbeitsblätter (JA) 2026, 177 ff.

[3] Selbstredend gelten diese Ausnahmen nicht für Software in sensiblen Bereichen ungeachtet ihrer eventuellen Open Source Affiliation.

[4] Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang, dass die offenen Modelle zwar in der technologischen Entwicklung im Vergleich zu den geschlossenen Modellen zurückliegen, der Abstand gemäß einem Vergleich der Chatbot Arena allerdings überraschend gering ausfällt.

Verstehen // Erklären // Gestalten 

Verstehen // Erklären // Gestalten 

Tobias Braun

Die NWK an der HSM

Unter dem Motto „Verstehen – Erklären – Gestalten“ durfte die Hochschule Schmalkalden Mitte Mai die 26. Nachwuchswissenschaftler:innenkonferenz (NWK) ausrichten, die über 125 Nachwuchswissenschaftler:innen aus 30 Einrichtungen und acht Bundesländern in Südthüringen zusammenführte. An zwei Tagen wurde nicht nur ein vielfältiges und intensives Programm aus verschiedenen Disziplinen und Formaten geboten, sondern auch ein offener Raum für wissenschaftlichen Austausch, Vernetzung und Diskussionen geschaffen.

Grundlegend richtet sich die NWK an Forschende in frühen Karrierephasen – von fortgeschrittenen Studierenden bis hin zu Doktorand:innen – und will diese gezielt unterstützen. Mittels einer kooperativen Atmosphäre, einem kollegialen Umfeld und einer integrativen Ausrichtung der Tagung sollen die ersten Schritte im wissenschaftlichen Betrieb, von Vorträgen bis hin zu Review-Verfahren und Postervorstellungen, erleichtert werden. Diese Kombination eines wissenschaftlichen Anspruchs und einer gezielten Nachwuchsförderung bildet das verbindende Grundmotiv einer jeden NWK.

Die NWK fand bereits zum dritten Mal in Schmalkalden statt. Nicht nur konnte die Hochschule auf eigene Erfahrungen mit diesem Konferenzformat zurückgreifen, sondern stand auch im Vorfeld mit der austragenden Institution der Jubiläumsveranstaltung, der Hochschule Merseburg, in engem organisatorischem Austausch. Die Varianz der Austragungsorte stellt eine Besonderheit dieser Konferenz dar, und verlangt neben dem Engagement der beteiligten Institutionen auch ein koordinierendes Netzwerk, um die Kontinuität zu gewährleisten. Der Geist der NWK lässt sich an dieser überregionalen, engagierten und mitnehmenden Ausrichtung erkennen.

Im Zwischenraum

Eine weitere Besonderheit der NWK ist ihre ausgeprägte Interdisziplinarität. Neben Bereichen wie den Ingenieurwissenschaften, den Informations- und Kommunikationswissenschaften sowie den angewandten Naturwissenschaften waren auch die Gesundheitswissenschaften, die Life Sciences, die Architektur- und Designwissenschaften und unter anderem die Sozialwissenschaften mit Beiträgen vertreten. Damit spiegelte die Konferenz fast die gesamte Breite der bundesdeutschen Wissenschafts- und Forschungslandschaft wider. Für eine kleine, spezialisierte Hochschule wie jene Schmalkaldens führt dies zu einer willkommenen Perspektivenerweiterung, kommen doch mit anderen Disziplinen andere Blickweisen, Ansätze und Methoden auf den grünen Campus. Die große Herausforderung der Interdisziplinarität ist es, die Verschiedenheit fruchtbar zu machen: Formate wie die NWK, die den direkten Austausch über vermeintliche Fachgrenzen hinweg nicht nur erlauben, sondern fördern, verstehen sich dabei als Brückenbauer, als Zwischenraum.

Die Forschenden konnten ihre Projekte in Vorträgen, Diskussionen und Postern vorstellen, Fragestellungen über Fachgrenzen hinweg diskutieren und Kontakte für ihre wissenschaftliche Laufbahn knüpfen. Zugleich bot die Tagung ihnen Gelegenheit, sich mit Menschen auszutauschen, die in der gleichen Situation stecken und vor ähnlichen Herausforderungen stehen. Die mehrjährige intensive Beschäftigung mit spezifischen Themen, das permanente Auf und Ab der Gemütslagen im Rahmen der Forschung, oder auch der Eintritt in Forschungsnetzwerke und Fachöffentlichkeiten: All das sind Aufgaben, vor denen Nachwuchswissenschaftler:innen stehen. Dieser Austausch über geteilte Erfahrungswerte früher wissenschaftlicher Karrierephasen ist ein weiteres Kernanliegen der NWK.

Neben diesem Motiv in seiner gesamten Spannbreite zwischen „Beruf und Berufung“ war die Wissenschaft auch im Sinne ihrer diskursiven Anwendung präsent: Der disziplinären und thematischen Breite zum Trotz waren die vielen einzelnen Sessions nicht nur gut besucht, sondern durchweg von einem interessierten, engagierten Publikum besetzt, das mit seinen konstruktiven Fragen half, Vorträge und Projektvorstellungen zu schärfen. Diese Atmosphäre des kollegialen Miteinanders und Voneinanderlernens hat die gesamte Tagung getragen und ungemein bereichert.

Verstehen // Erklären // Gestalten

Dies war das Motto, welches als verbindende Klammer über dieser Konferenz stand und das die verschiedenen Möglichkeits- und Wirkungsräume von Forschung und Transfer ausflaggen sollte. Verstehen ist das grundlegende Motiv von Forschung: Wissenschaft wird von Menschen betrieben, von Forschenden, die verstehen wollen, die neugierig sind und Dingen, Phänomenen und Abläufen auf den Grund gehen. Auch wenn sich die Disziplinen wie die Ansätze und Gegenstände zuweilen stark von Fachgebiet zu Fachgebiet unterscheiden, besteht in dem Bestreben, etwas verstehen wollen, ein verbindendes Prinzip, das auch die disziplinäre Pluralität dieser Konferenz zusammenführt und -hält.

Erklären heißt nicht nur, etwas greifbar zu machen, sondern auch, etwas gegenüber sich selbst oder anderen her- oder ableiten, begründen oder definieren zu können. Folglich hat das Erklären ein kommunikatives Potential, das sich nach Außen, an ein Kollegium oder die Öffentlichkeiten, richtet. Erklären heißt, nachvollziehbar machen. Dieser Anspruch einer reflektierten Begründung verlangt wiederum, zugleich die Themen und Fragen durchdrungen zu haben, und im selben Schritt eine reflektierte Distanz zu den Untiefen wissenschaftlicher Spezialisierung einnehmen zu können, um über ein Forschungsprojekt und dessen Fokus reden zu können. Diese Herausforderung der Vermittlung und Übersetzung hat sich den Nachwuchswissenschaftler:innen bei der Vorstellung ihrer Projekte gestellt.

Gestalten als dritter und letzter Teil der Trias setzt einen deutlichen Akzent auf die Anwendung, wobei sich die Nutzbarmachung von gewonnenen Erkenntnissen gewiss nicht auf innovative Technologien beschränkt. Generell geht es im Gestalten um eine Verbesserung, sei es innerhalb des menschlichen Zusammenlebens im Rahmen sozialer, administrativer, ökonomischer oder auch kultureller Problemstellungen oder sei es in einem ingenieurwissenschaftlichen Horizont, der auf funktionale, materielle oder auch prozedurale Optimierungen abzielt. Zugleich eröffnen sich mit den angewandten Naturwissenschaften oder auch den Lebenswissenschaften ganz eigene Möglichkeitsräume der Anwendung.

Die NWK26 nahm diese Trias auf, und versuchte simultan, jedem der einzelnen Aspekte einen Akzent zu verleihen und zugleich im Sinne eines Zwischenraums die einzelnen Glieder produktiv zu verbinden.

Die Beiträge

Insgesamt wurden rund 80 wissenschaftliche Beiträge präsentiert, darunter 60 Vorträge sowie mehr als 20 Poster, die zuvor in einem Begutachtungsverfahren auf ihre wissenschaftliche Qualität geprüft wurden. Dass heißt, bis Mai mussten die Vollbeiträge und die Exposés der Poster eingereicht werden. Diese wurden dann von mehreren Gutachter:innen fachlich geprüft und über eine differenzierte Skala, die Aspekte wie die wissenschaftliche Qualität und Innovativität des Projektes abdeckte, evaluiert.

Entsprechend vielfältig sind auch die behandelten Themen: Sie umfassen technische Innovationen in der additiven Fertigung und Materialentwicklung, Digitalisierung und Künstliche Intelligenz – etwa bei der Klassifikation von MRT- und EEG-Daten, in der erklärbaren Robotik oder beim KI-gestützten Unterrichtsdesign –, nachhaltige Produktions- und Energiesysteme wie biobasierte Kunststoffe, Hanfwerkstoffe oder Konzepte dezentraler Energieversorgung, medizinische und gesundheitsbezogene Fragestellungen von Biosensorik und Herzklappenmodellen bis zur Stressbewältigung in der Pflege sowie gesellschaftliche, wirtschaftliche und rechtliche Perspektiven, beispielsweise zur digitalen Souveränität in EUDI-Wallet-Architekturen. Die Beiträge reichen damit von hochspezialisierter Ingenieurforschung über Life Sciences und Gesundheitswissenschaften bis hin zu Fragen der digitalen Transformation und nachhaltigen Entwicklung.

Da leider an dieser Stelle nicht jedes Projekt gebührend vorgestellt werden kann, konzentrieren wir uns auf die Darstellung der preisgekrönten Beiträge. Alle Beiträge sind im Tagungsband frei einsehbar.

Den Preis für das beste Paper ging an Mourice Wölbeling von der Hochschule Merseburg. In seinem Paper mit dem Titel „Einfluss verschiedener Additive auf die biotechnologische Produktion mittelkettiger Fettsäuren“ widmete er sich der Frage, wie sich bestimmte Fettsäuren, die zum Beispiel für Biokraftstoffe und in der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie verwandt werden, nachhaltig mit Hilfe von biotechnischen Verfahren und innerhalb der regionalen Wertschöpfung hergestellt werden können. Untersucht wurde die Eignung von Zuckerrübenschnitzeln und verschiedener Prozessparameter wie dem PH-Wert, der Sauerstoffzufuhr und der Beigabe unterschiedlicher Additive. Der zweite Platz ging ebenfalls nach Merseburg: Felix Drewes ging der Frage nach, ob Hanf-Ganzstängel so verbunden werden können, dass sie einem spezifischen Qualitätsanspruch genügen. Der dritte Preis ging an Sven Ortmann von der Hochschule Anhalt mit dem Thema der Investitionsfähigkeit von grünem Wasserstoff: Das Ziel ist eine neue Methode der Bewertung, die die Kosten und Risiken realistisch abbildet und das Ausbleiben von Investitionen besser als die dominante Methode erklärt.

Die ersten beiden Plätze der besten Vorträge konnte sich der Gastgeber, die Hochschule Schmalkalden, sichern. Der erste Preis ging an Lukas Hauck mit seinem Vortrag zum Thema „Entwicklung einer Lift-off Maske aus filamentbasierten PVA im FDM-Verfahren direkt auf Si-Wafern“. Im Kontext der Herstellung von Mikrostrukturen der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik, wie zum Beispiel in modernen integrierten Microchips und Sensoren verwandt werden, geht es um die Verbesserung eines spezifischen Herstellungsverfahrens, dem Lift-off-Verfahren. Hier wird auf einem Substrat zunächst eine Opferschicht aufgebracht, die dann selektiv abgetragen wird. Nun kommt noch eine Schicht hinzu, wobei diese teils auf dem Substrat – bei den vorher abgetragenen Stellen –, teils auf der Opferschicht liegt. Die nun folgende Auflösung der Opferschicht führt dazu, dass nur die direkt auf dem Wafer aufgebrachten Strukturen bleiben. Problematisch ist hierbei die Nachhaltigkeit, da die verwandten Chemikalien risikobehaftet sind. Eine Lösung ist, die Maske direkt in Form eines Filaments, das auf Polyvinylalkohol basiert, auf dem Wafer aufzudrucken. Auch wenn die Auflösung noch erhöht werden muss, ist das Verfahren um einiges umweltfreundlicher und technisch umsetzbar. Nicht zuletzt bietet das 3D-Druck-Verfahren durch die Flexibilität viele Potentiale. Tobias Häuser ging der Frage nach, wie mit Hilfe von neuronalen Netzen spezifische Bewegungsabläufe, im Besonderen epileptische Anfälle von Hunden, in Videoaufnahmen detektiert werden können. Maik Seemann von der Technischen Universität Ilmenau konnte sich den dritten Platz mit seinem Vortrag sichern. Im Mittelpunkt seiner Forschung stand die Entwicklung und Charakterisierung neuer lichtschaltbarer Moleküle für den Einsatz in wässrigen Umgebungen. Durch gezielte Veränderungen ihrer chemischen Struktur wurden Eigenschaften untersucht, die für zukünftige Anwendungen in Sensorik und molekularen Schaltsystemen relevant sind. 

Die Preise für die besten Poster wurden auf der Konferenz durch das Publikum selbst durch eine Online-Abstimmung vergeben. Mirjam Kraus von der Technischen Universität Wildau konnte dabei den ersten Platz mit einem Poster zum Thema „Bestimmung des relativen Modellparameters eines biomasse-spezifischen Wachstumsmodells“ holen. In biotechnologischen Prozessen ist die spezifische Wachstumsrate der Biomasse ein wichtiger Aspekt. Der Beitrag zielt auf eine Alternative zur üblichen Bestimmung über das Luedeking-Piret-Modell, das zeit- und ressourcenintensiv ist. Im Gegensatz zu diesem Ansatz, der sich auf absolute Werte stützt, nutzt das hier vorgeschlagene Vorgehen relative Parameter. Nicht nur arbeitet das Modell zuverlässig in der Bestimmung der Biomasse, es eignet sich aufgrund des geringeren Aufwandes auch besser in der Verwendung von Software-Sensoren. Arti Rana von der Hochschule Schmalkalden widmete sich dem anodischen Bonden bei der Integration von MEMS und der Frage, inwieweit die Temperatur beim Bondvorgang mit verschiedenen Glasvarianten gesenkt werden kann, ohne Einbußen in der Qualität der integrierten Chips zu erzeugen, und konnte mit ihrem Poster den zweiten Preis gewinnen. Melissa Berger von der Hochschule Mittweida konnte sich den dritten Platz sichern: Ihr Poster befasste sich mit der Interaktion von Bestäubern und Pflanzen, in diesem Fall Wildbienen. Die Analyse der genutzten Pflanzenarten in den Pollen dient dem tieferen Verständnis dieser Beziehung, und soll helfen, passgenaue Strategien zum Tier- und Umweltschutz zu entwickeln.

Mithilfe

Besonders erfreulich war die starke Beteiligung der Schmalkalder Studierenden, die sich sowohl mit insgesamt neun eigenen Beiträgen als auch als engagiertes Publikum aktiv einbrachten. Die lebhaften Diskussionen zeigten eindrucksvoll das große Interesse und die hohe Qualität der Beiträge. Darüber hinaus unterstützten zahlreiche Studierende die organisatorische Umsetzung der Konferenz tatkräftig. Auch die Chairs, die die einzelnen Sessions leiteten, waren für das Gelingen der Konferenz ebenso unabdingbar wie die Gutachter:innen.

Ohne dieses vielfältige Engagement wäre die Durchführung einer solchen Veranstaltung nicht möglich gewesen. Zudem wurde die Konferenz auch durch die Unterstützung der Rhön-Rennsteig-Sparkasse, der Stadt Schmalkalden, dem Landkreis Schmalkalden-Meiningen und nicht zuletzt durch die Gesellschaft der Freunde und Förderer der Hochschule Schmalkalden ermöglicht.

Der Schlüssel der NWK wurde am Ende der Preisverleihung an die Technische Hochschule Wildau überreicht, die die NWK im Jahre 2027 am 10. und 11. Juni ausrichten darf. Die Hochschule Schmalkalden freut sich, der NWK im nächsten Jahr als Gast und mit hoffentlich vielen Beiträgen aus Südthüringen beiwohnen zu können.

Im Wandel von Paradigmen. Wie lassen sich Low-Cost-Cobots für Präzisionsmesstechnologien ertüchtigen?

Im Wandel von Paradigmen. Wie lassen sich Low-Cost-Cobots für Präzisionsmesstechnologien ertüchtigen?

Tobias Braun

Ende letzte Woche wurde das einjährige Forschungsvorhaben 3D-FMM, welches sich mit der Entwicklung einer modularen und anpassungsfähigen Fertigungsmessplattform beschäftigt, in einem feierlichen Rahmen in den Räumen des Suhler Unternehmens PREMETEC abgeschlossen. Wie eine produktive Kooperation regionaler Unternehmen und Hochschulen angewandter Wissenschaften im Sinne eines wechselseitigen Transfers funktionieren kann, lässt sich am Beispiel dieses Forschungsprojektes studieren.

Das Projekt widmete sich einer konkreten Fragestellung, die aber zugleich ein breites Spektrum möglicher Anknüpfungspunkte eröffnet: Ist es möglich, eine automatisierte Messstation zu bauen, die zugleich kostengünstig, variabel und hochpräzise ist? Innerhalb des Horizontes ließen sich die Projektpartner mit ihren jeweiligen Perspektiven produktiv verbinden: Auf der einen Seite die Hochschule Schmalkalden und hier speziell mit Nikhil Meduri und Niranjan Kannali Ramesha ein Team des Lehrstuhls „Professur für Antriebs-, Automatisierungs- und Robotertechnik“ von Professor Frank Schrödel, und auf der anderen Seite das Suhler Unternehmen PREMETECPREMETEC, einem südthüringischen hidden champion mit einer Expertise für Messtechnik und Prüfanlagen. Eine besondere Problemstellung war dabei die kosteneffiziente Ausrichtung des Projektes, was sich auch in der Nutzung von Low-Cost-Robots manifestierte.

Der Einsatz kollaborativer Roboter nimmt in der Industrie immer mehr Fahrt auf: Im Unterschied zu vollständigen Automatisierungen wird hier ein Schwerpunkt auf der Zusammenarbeit von Mensch und Maschine gelegt, was Herausforderungen für die Interaktion, die Kommunikation und die Sicherheit im Zusammenspiel von Roboter und Mensch birgt. Cobots können bei repetitiven Aufgaben wie Montage, Pick-and-Place oder Qualitätskontrolle helfen und industrielle Arbeitsabläufe optimieren. Zudem sind sie leicht zu programmieren und bieten einen hohen Grad an Entlastung und Arbeitsschutz. Für viele Anwendungsfälle der Industrie eignen sich kollaborative Lösungen, wobei sich das Angebot an verschiedenen Modellen von Cobots mehr und mehr erweitert. Neben hochpreisigen Varianten gibt es auch kostengünstige Modelle, die sich grundsätzlich einfachen Aufgaben erfüllen, bei denen aber Abstriche bei manchen operativen Qualitäten (wie der Geschwindigkeit) gemacht werden müssen.

Im Horizont der weiter voranschreitenden Automatisierung der industriellen Produktionsprozesse stellt sich die Frage, ob und sie sich Low-Cost-Coboter für spezifische Aufgaben nutzen lassen. Oder anders: Wie diese lassen sich kostengünstige kollaborative Roboter technologisch so ertüchtigen, dass sie hochpräzise Messoperationen vollführen können? Bevor wir uns dieser Frage und seiner Lösung widmen, braucht es noch ein paar Worte über PREMETEC und die Herausforderungen hochpräziser Messtechnologien.

Messtechnik zwischen Präzision und Flexibilität

Fertigende Unternehmen brauchen spezifische und hochpräzise Anlagen zur Vermessung ihre Werkzeuge, Bauteile und Produkte. Um eine Produktion möglichst reibungslos ablaufen zu lassen, ist eine Kontrolle von Nöten, die sich in die Produktionsabläufe einlässt. Das Unternehmen PREMETEC aus Suhl widmet sich seit mehr als 30  Jahren dieser Hausforderung und stellt für die Industrie hochwertige Lösungen für das Messen, Prüfen und Automatisieren bereit. Als ein Komplettanbieter für passgenaue Messvorrichtungen und unter anderem von Prüfautomaten entwickelt und fertigt das momentan 27-Mitarbeiter:innen starke Unternehmen für jeden Einzelfall optimierte Lösungen. Die Stückzahl der Produkte beläuft sich dabei zumeist auf eins, was die hohe Spezialisierung und Passgenauigkeit der Produkte greifbar macht.

Neben der Automobilbranche und dessen Zulieferpartnern werden zunehmend Unternehmen aus den Branchen wie der Medizintechnik, der Sicherheitstechnik und der Konsumgüterproduktion zu Abnehmern dieser Vermessungstechnologien. Das Portfolio von PREMETEC umfasst dabei neben kompakten und integrierten Lösungen auch spezielle Messstände, Messzellen und Prüfstände. Ab von der eigentlichen Vermessung ist eine Herausforderung für Messtechnologien, sich reibungslos innerhalb von Produktionsabläufen zu integrieren. Ein Produktionsintervall von einer Minute bedingt, dass auch die Prüfung unter einer Minute bleibt. Je nach Anwendungsfall und Vermessungsaufwand ist dies dann mehr oder weniger diffizil.

Die Industrie steht selbst vor Herausforderungen, was auch Folgen für Unternehmen wie PREMETEC zeitigt. Kleiner werdende Stückzahlen sind Folge dynamischer werdender Produktionszyklen, wodurch die hochspezialisierten Messtechnologien einem höheren Rentabilitätsdruck ausgesetzt werden, und worauf die Branche reagieren muss. Eine Lösung könnte sein, die Messtechnik in einem gewissen Rahmen variabel zu gestalten, und so für mehrere Produkte nutzbar zu machen. Beispielhaft sei auf eine Druckgussbauteil einer Heckklappe verwiesen, die selbst eine komplexe Geometrie aufweist und die zugleich sehr exakt gefertigt sein muss, um den Toleranzrahmen der Abweichungen nicht zu sprengen. Die akute Frage ist also, ob es eine Möglichkeit gibt, bei kleinen Varianzen im Design nicht die komplette Messtechnik ersetzen zu müssen.

Eine der zentralen Herausforderungen ist es dabei, die hohe Qualität bei Präzision und prozessualer Integration bei einer gleichzeitig gestatteten Flexibilität für variable Anwendungen garantieren zu können. Eine Lösung könnte in der Integration von Cobots bestehen, die in einem modularen Aufbau einer Messvorrichtung für unterschiedliche Vermessungsaufgaben genutzt werden könnten. Gerade preisgünstige Modelle würden es klein- und mittelständischen Unternehmen, wie sie Thüringen kennzeichnen, ermöglichen, auf diese Lösungen zurückgreifen zu können. Das Thema des Forschungsvorhabens und der Kontext seiner Anwendung stehen uns nun vor Augen. Offen hingegen sind noch die Arbeitspakete der Hochschule, also mit welchen Schwerpunkten sie sich in das Vorhaben einbrachte.

Cobots zwischen Kooperation und Korrektur

Vorab lässt sich festhalten, dass sich die Hochschule mit den Themen der Vermessung der Präzision des Cobots und den Möglichkeiten der Korrektur befasste. Mit Nikhil Meduri und Niranjan Kannali Ramesha erarbeitete ein Team aus dem Lehrstuhl „Professur für Antriebs-, Automatisierungs- und Robotertechnik“ von Professor Frank Schrödel in und zusammen mit PREMETEC über das Jahr Projektlaufzeit eine Lösung für diese Aufgabe. Das Projekt der Hochschule ließ sich in drei Arbeitspakete aufteilen, wobei sich die beiden letzten Pakete verknüpfen lassen. Für die Vermessung der Präzision des Roboters ist es wichtig zu bedenken, dass es sich um einen Low-Cost-Cobot handelt, und keine für solche Aufgaben ausgelegten Spezialvariante. Eine Folge dieser Grundbedingung ist, dass detaillierte Statistiken über das Verhalten und die Präzision des Roboters speziell im Dauerbetrieb bislang fehlten. Dieser Aufgabe hat sich die Hochschule angenommen.

Das erste Arbeitspaket befasste sich mit der Konzeptionierung des Projektes und seiner organisatorischen Koordination. Gerade weil die Laufzeit mit einem Jahr für die ambitionierten Aufgabenstellungen recht kurz bemessen war, die Abklärung der Grundstruktur ein wichtiger Aspekt. Zu unterscheiden war mit dem Sensorbereich inklusive Messkopf und Messtaster sowie dem Aktorbereich, also dem Robotor. Insbesondere musste die Kommunikation zwischen den Komponenten untersucht werden und ein Fokus auf die Ungenauigkeit der Robotorpositionierung geworfen werden. Kurzum ging es um die Frage, ob es Fehler bei der Positionierung gab und ob sich diese innerhalb einer tolerierbaren Größenordnung bewegten.

Im Zentrum des zweiten Arbeitspaketes stand neben der Entwicklung einer Steuerungsplattform auch die Erprobung, also die Übersetzung in die Wirklichkeit. Als Problem erwies sich dabei einerseits die mit der Bewegungskomplexität steigende Ungenauigkeit des Robotorarms: Je mehr Gelenke des Arms im Zuge einer Dreh- oder Greifbewegung aktiviert wurden, umso unpräziser wurden die Abläufe. Andererseits war die Sicherstellung der Wiederholgenauigkeit im Dauerbetrieb ein Gegenstand der Untersuchung. Der Robotorarm wurde unter anderem 600 mal an derselben Stelle positioniert, wobei sich im Laufe des Verfahrens eine immer höhere Ungenauigkeit ergab. Mit diesem Wiederholungspositionierungstest und der Analyse der Daten konnte sich das Schmalkalder Team einen weit umfassenderen Kenntnisstand über das Realverhalten des Robotorarms erarbeiten als dies Seitens des Herstellers bislang verfügbar war.

Diese Daten braucht es, um die Eignung des Arms für Messungen abschätzen zu können. Zugleich ist es wichtig im Kopf zu behalten, dass die wiederholte Selbstpositionierung nicht zum klassischen Repertoire dieser Roboter gehört, sondern eher die Repetition von Bewegungsabläufen. Dennoch ist die Kenntnis der Fehlerrate entscheidend für Einschätzung der Eignung der Roboter und die mögliche Nutzung der Low-Cost-Cobots. Nach der Untersuchung des Verhaltens war die Korrektur der Fehler der nächste Schritt. Als ein Problem stellte sich der postfaktische Eigensinn des Roboterarms heraus, der entgegen der objektiven Faktizität davon ausging, sich an der richtigen Stelle zu befinden. Die Frage war nun, wie sich das Verhalten des Robotors korrigieren ließe.

Die Lösung bestand in der Nutzung eines selbst entwickelten 6-stufigen Algorithmus: Mittels dieser adaptiven Softwarelösung konnte die Abweichung ausgeglichen werden, ohne dass aufwändige mechanische Eingriffe nötig gewesen wären. Den hohen Ansprüchen an Präzision, wie sie sich durch die Nutzung im Rahmen der Messtechnik stellten, konnte mit dieser Lösung über eine Korrekturmatrix ebenso entsprochen werden wie der funktionalen Adaptierbarkeit, also einer bleibenden Flexibilität in der Anwendung der Messtechnik. Dem entspricht auch, dass die Komponenten, die zur Korrektur notwendig sind, extern bleiben und nicht im System selbst fixiert oder implementiert sind. So bleibt diese Machine-Learning-Lösung autonom und adaptiv, was ihrer weiteren Nutzung viele Möglichkeiten bietet.

Transfer und die kommunale, föderale und supranationale Kooperation

Der in der Überschrift notierte Paradigmenwechsel besteht darin, dass die Cobots nicht mehr nur Hilfsinstrumente zur Vermessung sind, sondern selbst zur aktiven Vermessung genutzt werden. Eine Bedingung hierfür ist die Präzision, die durch das 3D-FMM-Projekt ermöglicht wurde. Gerade weil präzise Handhabungsaufgaben in der Industrie immer relevanter werden, birgt dieses Projekt auch immense Möglichkeitsräume für die weitere Nutzung. Im Sinne des Transfers lassen sich Potentiale nutzen, auf Seiten der Hochschulen ebenso wie auf Seiten der Unternehmen wie PREMETEC und der Hersteller der Cobots.

Die Relevanz und den erwartbaren Impact des Projektes für den Wirtschaftsraum Thüringen wurde auch an der Förderung durch den „Europäischen Fonds für die regionale Entwicklung“ und der Thüringer Aufbaubank (TAB) deutlich. Neben Holger Haun von der TAB stand auch Dr. Sebastian Stark auf der Gästeliste des Abschlussevents, wobei letzterer die Referatsleitung der Technologieförderung im Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Landwirtschaft & Ländlichen Raum innehat. Mit Ariane Winkler und Sebastian Poppner war zudem auch die kommunale Wirtschaftsförderung des Oberzentrums Südthüringen vor Ort. Die Erfahrungen in der Transferbeziehung, die Hürden und Schwellen, die die Projektpartner gemacht haben, können durch dieses Netzwerk weitergetragen werden und können den Weg weiterer Forschungskooperationen ebnen.

Im Sinne eines gegenseitigen Gewinns hatte das Kooperationsprojekt für die Beteiligten Vorteile: Für das Unternehmen bietet sich eine fast marktreife Technologie, die das bestehende Portfolio sinnvoll erweitert. Für die Hochschule bot sich eine Möglichkeit anwendungsnaher Forschung, die neben Erkenntnissen und konkreten Daten auch zu mehreren Veröffentlichungen führte. Und nicht zuletzt wurde in dem Projekt ein Erfolgsmodell gezeigt, wie sich internationale Studierende in klein- und mittelständisch geprägte Unternehmen produktiv einbringen können. So konnten schlussendlich viele Potentiale genutzt werden.

Vom Feind zum Freund: Wie die Nachrichtentechnik Rauschen nutzen kann.

Vom Feind zum Freund: Wie die Nachrichtentechnik Rauschen nutzen kann.

Tobias Braun

Die Digitalisierung der Gesellschaft beschränkt sich nicht auf Smartphones, sondern zeitigt mit Impulsen wie der Automatisierung der Mobilität, der smarten Steuerung unserer Energieversorgung und der Industrie 4.0 umfassende Transformationseffekte in ganz verschiedenen Bereichen. Auch wenn wir es im Horizont des Digitalen gewohnt sind, eher im Sinne des „Höher, Weiter und Schneller“ zu denken, was sich exemplarisch an den Anforderungen an Datenmengen und den Raten ihrer Übertragung zeigt, so gibt es auch Anwendungsbereiche, die sich an gegenläufigen Imperativen orientieren. 

Die Idee der Nachhaltigkeit findet einerseits zunehmend Verbreitung, was sich u.a. in dem Verständnis von Energie als wertvoller, nicht unendlich verfügbarer Ressource bekundet, andererseits ist die unreflektierte Verschwendung von Energie gewiss noch immer ein Thema, das sich in verschiedenen Bereichen wie der Nutzung von generativer künstlicher Intelligenz manifestiert. Neben dem gesamtgesellschaftlichen Horizont gibt es allerdings auch viele andere Motive, mit Ressourcen wie Energie oder Daten bewusst und effizient umzugehen

Technologien, die sich zum Beispiel eher an Prinzipien der Energieeffizienz ausrichten, sind dabei schon heute von Nutzen: Neben den Zahlungen per Bargeld sind EC Karten, Smartphones und Smartwatches mittlerweile als Zahlungsoption im Alltag weit verbreitet. Auch wenn diese Zahlweise rein äußerlich recht simpel wirkt, beruht sie auf komplexen Technologien, die zugleich die notwendige Sicherheit verbürgen. Die Energieeffizienz ist hierbei ein wichtiger Aspekt, der die sichere Kommunikation im Nahbereich ermöglicht. 

Was ist die Nachrichtentechnik?

Mit der Frage, wie Informationen übertragen werden, befasst sich die Elektrotechnik, genauer das Gebiet der Nachrichtentechnik. Kurz gefasst geht es hierbei um die Gewinnung, Umwandlung, Übertragung, Vermittlung, Speicherung und Ausgabe von informationstragenden Signalen. Im Fokus steht das Ziel, möglichst unverfälschte Informationen zu übermitteln, wobei die Herausforderungen hierbei ebenso beim Aus- wie beim Eingang der Signale wie bei dem Übertragungsweg und dem Umgang mit Störungen liegen. Anders formuliert lässt sich dies als Bereich der Informations- und Kommunikationstechnik im Sinne der technischen Infrastruktur einer digitalen Gesellschaft begreifen.

Das Betätigungsfeld dieser ingenieurwissenschaftlichen Disziplin hat sich im Zuge des Wandels von der Analog- hin zur Digitaltechnik erheblich aufgefächert. Zugleich ergeben sich mit dem Entstehen der modernen Informationsgesellschaften genuine Herausforderungen, die verschiedene technologische Lösungsansätze bedürfen. Einerseits meint dies den Aufbau einer leistungsfähigen Netzinfrastruktur, wie sie viele Bereiche benötigen, zum Beispiel die autonom agierende Logistik. Die Unmengen an Daten und ihre notwendige Verfügbarkeit (sowie Verarbeitung) in Echtzeit verlangt eine optimale Nutzung der Übertragungstechnologien, Kanalkapazitäten und Bandbreiten, um die Kommunikation zu ermöglichen. Andererseits gibt es Anwendungsfelder wie die erwähnte Zahlung über EC-Karten, Schlüsselkarten (u.a. beim Car-Sharing), in deren Fokus die Authentifizierung und die Sicherheit stehen und dies mit einem geringen Energieverbrauch verbinden.

Signal-Rausch-Abstand 

Das allgemeine Ziel in der Nachrichtentechnik ist die Übermittlung von Informationen, indem ein Signal möglichst störungsfrei von Sender zum Empfänger gesandt wird. Ein relevanter Faktor ist hierbei der Signal-Rausch-Abstand: Je größer der Abstand, um so distinkter nimmt sich der Unterschied zwischen dem Signal und störenden Einflüssen, zum Beispiel von überlagernden Umgebungsgeräuschen, aus, wodurch die Informationen klarer empfangen werden können. Um diese Beeinträchtigungen des Signals zu minimieren, gibt es zwei Wege: Ein Ansatz besteht in der Reduktion bzw. Filtern der Störgrößen. Der andere klassische Weg besteht in der Verstärkung des informationstragenden Signals. In beiden Fällen wir der Signal-Rausch-Abstand vergrößert und das erwünschte Signal deutlicher.

Zu bedenken ist, dass je nach Verstärkung der Leistungsaufwand und damit der Energiebedarf steigt. Gerade in Anwendungsfällen, in denen Energie nur sehr begrenzt zur Verfügung steht, muss dieser Faktor folglich miteinkalkuliert werden. Je nach Anwendungsgebiet ist es mithin eine Abwägung, welches Instrument geeigneter erscheint. Der adaptive Umgang mit Gegebenheiten und Problemstellungen ist eine ingenieurwissenschaftliche Grundkompetenz, die auch im Bereich der Nachrichtentechnik zum Tragen kommt.

Zwischen Effizienz und Signalstörungen

Für spezifische Anwendungsfälle ist die Minimierung des Energieaufwandes zur Datenübertragung notwendig, wofür angepasste technische Lösungen gefunden werden müssen. Einer dieser Fälle ist die Steuerung von Rovern in extraterrestrischen Umgebungen, aber es gibt auch weit irdischere Anwendungen. Professor Ralf Martin Kramer stellte im Rahmen seiner Antrittsvorlesung einen neuen Ansatz der Datenübertragung vor, der den speziellen Anforderungen einer Datenübermittlung mit minimalen Energieaufwand genügt, wobei dieses Thema auch im Zentrum seiner Dissertation stand. Seit Oktober 2024 hat Dr.-Ing. Kramer die Professur „Elektronische Schaltungen“ an der Fakultät für Elektrotechnik der Hochschule Schmalkalden inne.

Bleiben wir zunächst bei der Informationsübertragung: Um eine sichere Informationsvermittlung bei nicht allzu hohem Energieaufwand zu gewährleisten, ist es möglich, dass sich Sender und Empfänger auf bestimmte Sequenzen einigen. Das heißt, die Signale bestehen nicht nur aus einzelnen Informationen, sondern aus Zeichenketten, die dann für eine Information stehen. Ein Beispiel ist das NATO-Alphabet, in dem Charly für C steht: Käme nur arly als Information an, wäre dennoch klar, dass C gemeint ist. Zwar ist dies ein unnötiger Overhead – also ein informationeller Mehraufwand –, bei gestörten Übertragungen und fehlenden Fragmenten in der Übertragung ist dies aber ein Weg, die Übermittlung zu verbessern. So kann ein gewisser Grad des Rauschens akzeptiert werden, zugleich ist aber eine gewisse Rechenleistung durch die Interpretation des Eingangs ebenso notwendig wie die Kenntnis der Codierung bei Empfänger und Sender.

Radio Frequency Identification

Eine andere Variante ist Sigma Shift Keying (SSK), der wir uns gleich zuwenden. Kurz gefasst ist dies eine Übertragungstechnik, der Ansätze des RFID zugrunde liegen und variiert werden. Was ist RFID? Grundsätzlich meint dies die Radio Frequency Identification und ist eine Technologie zur automatischen, kontaktlosen Identifizierung von Objekten mittels Radiowellen. Neben einem Lesegerät umfasst das System einen Sender-Empfänger (Tag) und erlaubt zugleich die eindeutige Authentifizierung des Tags. Die RFID-Tags sind weitverbreitet, sehr kostengünstig – zumindest in ihrer passiven Version – und erlauben die eindeutige Identifizierung von Objekten.

Es gibt verschiedene Varianten, wobei die grundlegende Funktion vergleichbar bleibt: Die Leseeinheit baut ein hochfrequentes Feld auf und aktiviert so den Tag. Je nachdem gibt der Tag nur die Information seiner Anwesenheit zum Zwecke der Identifizierung zurück, weitere Daten oder nimmt vom Lesegerät gesandte Daten auf. Der Tag kann passiv sein, also ohne eigene Stromversorgung, wobei er hierbei seine Energie vom Feld des Lesegerätes entnimmt. Durch diese Einschränkung ist der Funktionsumfang dieser Tags gering. Aktive Tags sind mit einer Batterie versehen, wodurch sie mit effizienten Sensoren ausgestattet werden können, deren Messungen sie zum Beispiel an das Lesegerät weitergeben können. Zudem können sie Berechnungen selbstständig vornehmen.

Software Defined Radio

Bevor wir zum SSK kommen, muss noch eine zweite technologische Komponente eingeführt werden, die eine weitere Grundlage des SSK bildet: Das Software Defined Radio. Kurz gefasst geht es hierbei um ein Kommunikationssystem über Radiowellen, bei dem die analoge Hardware durch eine auf einem integrierten Computer befindliche Software ersetzt wurde. Vormals hardware-basierte Komponenten der analogen Signalverarbeitung wie Selektion und die Modulation/Demodulation werden nun über eine digitale Signalverarbeitung geleistet. Bedingung hierfür ist die gewachsene Leistungsstärke der Chips. Vorderhand bieten Softwarelösungen den großen Vorteil einer bleibenden Flexibilität und Anpassungsfähigkeit, die fixierte, analoge Formen nicht aufweisen können. Zum Beispiel ist dies eine Grundlage der mobilen Telefonie: Der ständige Wechsel von einer Funkzelle in eine andere und die sich dabei verändernden Funkprotokolle (Regeln, Syntax, Semantik und Synchronisation des Datenaustauschs) wären mit analogen Apparaturen kaum realisierbar.

Mit den jüngsten technologischen Entwicklungssprüngen in der Rechenleistung und der Verfügbarkeit kostengünstiger Komponenten wie digitalen Signalprozessoren fand auch die SDR-Technologie im nicht-militärischen Sektor Verbreitung. Ein Beispiel sind die DVBT-Empfänger in USB-Sticks, in denen SDR-Komponenten verbaut sind. Wie nutzt nun SSK das SDR? Das SSK benötigt gewisser mathematischer Modelle und Berechnungen, um die Signale zu Detektieren und zu Synchronisieren. Diese Operationen können jedoch auf Algorithmen reduziert und in Form von Software auf den Empfängern hinterlegt werden. Das SSK-System bleibt in der Folge möglichst leicht und anpassungsfähig an verschiedene Anwendungsfelder und Berechnungsmodelle.

Sigma Shift Keying

In natürlichen Umgebungen gibt es ein unvermeidliches Grundrauschen. Dieses Rauschen ist eine echte stochastische Größe, also ein Zufallsprozess, der als solcher nicht prognostizierbar ist. Anders als im üblichen Umgang der Nachrichtentechnik wird dieses Rauschen im SSK akzeptiert und zum Beispiel als die binäre Null gesetzt. Der zweite zur Übertragung notwendige binäre Zustand „1“ wird durch eine gezielte Änderung des Rauschens herbeigeführt. Hierbei besteht die Möglichkeit zusätzliches Rauschen hinzuzufügen, oder alternativ eine Reduktion des vorhandenen Rauschens vorzunehmen. In beiden Fällen wird eine Unterscheidbarkeit der beiden Signale, also des Grundrauschens und des informationstragenden Signals, im Sinne von Rauschniveaus eingetragen. Auch wenn also die stochastische Größe des Rauschens selbst unberechenbar bleibt, lässt es sich so verändern, dass es Informationen übertragen und von einem Lesegerät aufgenommen werden kann. Das Rauschen, dass bislang einzig als Problem in der Nachrichtentechnik aufgetreten ist, kann so selbst zur Übertragung genutzt werden.

Gerade die Absorption hat den Vorteil der Energieeffizienz, da hier kein eigenes Feld aufgebaut werden muss, sondern ein vorhandenes genutzt wird. Dahinter steht das bereits in der Messtechnik bekannte Prinzip der Lastmodulation. Grob vereinfacht wird dabei Energie absorbiert und über einen Widerstand in Wärme verwandelt. Zugleich kann so das Rauschen reduziert werden, wodurch ein kontaktloses Abtasten des Signals möglich wird. 

Der technische Aufwand des SSK ist dabei nicht anspruchslos:  Gerade die Rückgewinnung der binären Daten aus dem stochastischem Rauschsignal ist eine Herausforderung, wobei die Synchronisation sowie die Detektion zu leisten ist. Für beide Aufgaben wurden bestimmte mathematische Methoden entwickelt, die die Übertragung der Informationen leisten. Der Algorithmus muss also klären, welches Niveau verschiedene Rauschsampels haben und an welchen Stellen Datenpakete beginnen und enden.

Der Vorteil des SSK liegt in Fällen vor, in denen eine kontaktlose Übertragung von Messwerten in geschlossenen Objekten anvisiert wird, die zugleich über längere Zeit gegeben sein soll. Durch den minimalen Energieverbrauch und die angepasste RFID-Technologie ist einerseits die langfristige Authentifizierung möglich, und andererseits durch die Nutzung effizienter, in die Microprozessoren bereits integrierter Sensoren eine Erweiterung der funktionalen Möglichkeiten gegeben. In der Auslegung als Low-Power-Sensoren eignet sich diese Technologie zum Beispiel für spezifische Medizinprodukte, die den inneren Zustand von Paketen überwachen (Druck, Temperatur u.a.).

Forschung und Lehre

Neben der weiteren Optimierung der Technik und Verfahren ist ein Ziel der Forschung, die SSK-Empfänger auf einer kostengünstigen Hardware zu implementieren, wobei die Reduktion der Kosten einer zukünftigen Verbreitung der SSK-Technologie dienlich sein sollte. Die praktische Umsetzung von SSK im konkreten Anwendungsfall der RFID steht noch in einer frühen Phase der Forschungstätigkeit. Ziel ist es hier eine kostengünstige Lösung in die Praxis umzusetzen. 

Neben der RFID Übertragung gibt es aber noch einige weitere andere Anwendungsgebiete, die aber hiervon deutlich abweichen. Durch die Möglichkeit, eine Änderung der Standardabweichung vorzunehmen (daher auch der Name „Sigma“- für die Standardabweichung), also die Umtastung der Standardabweichung, kann auch z.B. eine existierende Funkstrecke um den Parameter der Modulation der Standardabweichung erweitert werden. Kurzum können so zusätzliche Daten können zu den bereits existierenden Datenkanal übertragen werden.

Mit einer angetretenen Professur verbinden sich jedoch nicht nur Aspekte der Forschung, sondern auch der Lehre, mithin der Vermittlung von Wissen und Kompetenzen. Just der kreative Umgang mit Problemstellungen im Sinne eines Motors für Innovationen lässt sich als ein Brückenschlag zwischen der Entwicklung des Sigma Shift Keying und der grundlegenden Vermittlung ingenieurswissenschaftlicher Kernkompetenzen deuten, der insbesondere an Hochschulen angewandter Wissenschaften von Relevanz ist. Theorie und Praxis sollen sich demgemäß produktiv verknüpfen, und die Problemlösungskompetenz der Studierenden stärken. Ein Weg der Vermittlung besteht in ambitionierten studentischen Projekten, in denen sich mechanische und elektrotechnische Aufgaben verbinden. Ein Beispiel ist die Konstruktion einer Sortiermaschine, für die verschiedene Gruppen ganz unterschiedliche Wege der Umsetzung gefunden haben. Solche praxisnahen Erfahrungen können die Studierenden dann in ihrem Berufsleben nutzen.

SUAS Premier: Eine feierliche Zertifikatsübergabe bei der W.AG in Geisa

SUAS Premier: Eine feierliche Zertifikatsübergabe bei der W.AG in Geisa

Tobias Braun

Ende letzten Jahres konnten die Abschlusszertifikate an die Teilnehmenden des SUAS Premier Programms in einer feierlichen Zeremonie in den Räumen des Unternehmens W.AG in Geisa überreicht werden. Zehn junge Menschen aus ganz unterschiedlichen Ländern konnten in diesem Rahmen ihren erfolgreichen Abschluss des SUAS Premier-Programmes begehen.[1] SUAS Premier ist ein von dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt und dem DAAD (Deutscher Akademischer Austauschdienst)  im Rahmen des ProfiPlus-Programms gefördertes Projekt an der Hochschule Schmalkalden, das sich um die Aufnahme internationaler Studierender in den Thüringer Arbeitsmarkt bemüht.

Das allgemeine Ziel des Programms ist es, hoch-qualifizierte internationale Absolventen der Hochschule in der Region zu halten und ihnen den Eintritt in das Berufsleben zu erleichtern. Die Herausforderung des Fachkräftemangels steht uns bereits gegenwärtig vor Augen, zugleich wird sich die Problemlage absehbar noch verschärfen, werden bis 2030 doch gut die Hälfte der Fachkräfte den bundesdeutschen Arbeitsmarkt verlassen. Diesen sich ergebenden Bedarf vor Augen entschloss sich das DAAD, den vielversprechenden Ansatz zu verfolgen, die Integration internationaler Absolventen in den Fachkräftemarkt engagiert voranzutreiben. Ein daraus hervorgegangenes Einzelprojekt ist das SUAS-Premier-Programm, das von Jayabadhrinath Krushnan, einem Absolventen der HSM, koordiniert wird.

Dabei setzt dieses Programm direkt bei den internationalen Studierenden an, und versucht diesen über ein intensives, modular-aufgebautes Trainingsprogramm eine Anpassungsqualifikation in Hinsicht des Berufseinstiegs zu vermitteln. Hierfür wurden die konkreten Hemmschwellen, die den Absolventen begegnen, festgestellt und an diesen Bedarfen ausgerichtet ein Kurzlehrformat mit dem Ziel entwickelt, die Fachkräfte an die Region zu binden und gut ausgebildete Absolventen der Mint-Studiengänge in die kleinen und mittelständischen Unternehmen der Region Südthüringens zu bringen. Ausgehend von Befragungen lokaler Unternehmen ermangelt es den internationalen Fachkräften in der Regel an den erforderlichen technischen und sprachlichen Fähigkeiten, die genau im SUAS PREMIER-Programm vermittelt werden, um die Lücke zu schließen.

Das Programm

Neben einer Anwendungsorientierung im Sinne einer praktischen Lösungskompetenz steht vor allem die Kommunikation im Fokus, also die Vermittlung von Sprachkenntnissen. Auch wenn die Verbreitung der englischen Sprache durchaus auch in der Thüringer Fläche zunimmt, sind grundlegende Deutsch-Kenntnisse zentral für Berufseinstieg im von kleinen und mittelständischen Unternehmen geprägten Arbeitsmarkt Südthüringens.

Das erste Modul befasst sich mit der Vermittlung basaler professioneller MINT-Kompetenzen, dient dem Aufbau einer allgemeinen Befähigung und beinhaltet zugleich einen engen Fokus auf die Praxis. Gerade die konkreten Erfahrungen im Machen und Problemlösen sind es, die den internationalen Absolventen der MINT-Studiengänge für einer erfolgreichen Start in Berufsleben oftmals fehlen: Anders gesagt geht es um die Hands-On-Mentalität und entsprechende Erfahrungen, die zwar im Ansatz bei den Studierenden vorhanden sind, deren Profil aber geschärft werden soll. Das technische Programm wird in Zusammenarbeit mit dem Robotiklabor der HSM und dem Unternehmenspartner Mehnert Lab in Erfurt durchgeführt. Das zweite Modul beruht auf Vermittlung von Sprachkompetenzen und einem allgemeinen Verständnis der hiesigen Arbeitskultur. Das dritte und abschließende Modul soll die Absolventinnen mit Kenntnissen über den regionalen Arbeitsmarkt im MINT-Bereich ausstatten und sie schlussendlich befähigen, ihre Chancen zu erkennen und zu nutzen.

Am Ende dieses herausfordernden Lernprozesses, den die Teilnehmenden neben ihrem Studium absolvieren müssen, werden den erfolgreichen Absolventen ihre Zertifikate in einer feierlichen Zeremonie überreicht, in der das Erreichte gewürdigt wird. Um auch hier einen Akzent auf die Anbindung in die lokale Wirtschaft zu legen, wird die Vergabe der Zertifikate mit einem Unternehmensbesuch kombiniert: Diesmal ging es zum Unternehmen W.AG mit Sitz in Geisa, gelegen im südlichen Wartburgkreis.

Das Unternehmen

Das Unternehmen entspricht der nunmehr fast sprichwörtlichen Bezeichnung als „Hidden Champion“, wobei man dies ob des Betätigungsfeldes zunächst nicht erwarten würde: Die Fertigung von innovativen Kunststoffkoffern im B2B-Bereich, also Business to Business. Es geht um angepasste, individuelle Transport- oder Aufbewahrungsmöglichkeiten, wie sie zum Beispiel die Automobilindustrie für bestimmte Werkzeuge bedarf.

Die spannende Frage ist, wie es das Unternehmen aus der Rhön geschafft hat, neben der Konkurrenz aus Fernost zu bestehen. Am Ende ist die Ursache des Erfolgs eine Mischung aus Innovativität, Professionalität und Flexibilität. Die eher kleinen Stückzahlen sind dabei eine Grundlage des Konzepts: Individuelle Lösungen, die zugleich anpassbar bleiben und schnell produziert werden können. Ein Faktor bei der Schnelligkeit sind die geringen Transportwege vor Ort – selbst die Werkzeuge können am Standort in Geisa repariert werden.

Die Innovativität zeigt sich unter anderem in den drei Linien der verwandten Werkstoffe: Neben dem klassischen sortenreinen Polypropylen gibt es eine Auswahl zwischen der ORGANICLINE, die Nachhaltigkeitsnormen erfüllt und das EU-Güte-Siegel Green Brand führen darf, und die CIRCLELINE, die Rezyklate, also aufbereiteten, recycelten Kunststoff, verwendet und ebenso der Nachhaltigkeit verpflichtet ist. Neben einer breiten Palette an Modellen und Farbvarianten kommen somit noch drei Möglichkeiten hinzu, zwischen denen sich die Kund:innen bei der Individualisierung ihrer Koffer entscheiden können.

Die Absolventen konnten in ein Unternehmen hineinschnuppern, das wie viele andere gut ausgebildete Fachkräfte sucht. Das SUAS Premier Programm soll und kann dabei helfen, die Einstiegsschwierigkeiten internationaler Studierender in den Arbeitsmarkt abzuschmelzen und die Unternehmen mit einem bislang nur suboptimal genutzten Reservoir an Fachkräften zu versorgen. 

[1] Zwei weitere Zertifikate konnten an Teilnehmende versandt werden, die terminlich gebunden waren.

Tough times, tougher engineers. Wie der Werkzeugbau mit den aktuellen Herausforderungen umgeht

Tough times, tougher engineers. Wie der Werkzeugbau mit den aktuellen Herausforderungen umgeht

Tobias Braun

Der Werkzeugbau umfasst mit der Werkzeugentwicklung, deren Fertigung sowie Nutzung ein weites und vielfältiges Spektrum. Die Konzeption und Herstellung ebenso präziser wie komplexer Werkzeuge hoher Leistungsfähigkeit und Lebensdauer ist ein Grundbaustein der modernen Industrie, wobei die aktuellen Krisen weder den Maschinenbau insgesamt noch den Werkzeugbau im Besonderen unberührt lassen.

Angefangen bei der Konstruktion von speziellen Zerspanungswerkzeugen (z. B. Fräswerkzeuge oder Bohrer) und der Aufbringung von Beschichtungen befasst sich der Werkzeugbau auch mit angepassten Produktionsverfahren und der Aufbereitung von Werkzeugen. Ohne selbst im Zentrum der Aufmerksamkeit zu stehen, hat der Werkzeugbau einen relevanten Anteil an der Verbesserung des Alltags der Menschen, sei es über die Fertigung von Haushaltgeräten, den Ausbau der technischen Infrastruktur unserer Mobilität (neben den Automobilen u. a. auch Züge) bis hin zur Entwicklung zukunftsweisender Technologien in der Mikroelektronik und Raumfahrt.

Ein Ort, innovative Ansätze zu präsentieren, die Situation im Werkzeugbau zu reflektieren und in Austausch mit der Branche selbst zu treten, ist die Schmalkalder Werkzeugtagung, die von der GFE (Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.V.) in Kooperation mit der Hochschule Schmalkalden und dem VDMA (Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau) in diesem Jahr zum nunmehr sechzehnten Mal ausgerichtet wurde. Renommierte Unternehmen und Forschungsinstitutionen gaben nicht nur Einblick in Ansätze technologischer Entwicklung und Erfahrungen in deren Anwendung, der Umgang mit den herausfordernden Zeiten stand ebenso im Blickpunkt.

Das Motto der im zweijährlichen Turnus stattfindenden Tagung war in diesem Jahr „Ressourceneffiziente & wirtschaftliche Werkzeugentwicklung, -fertigung und -nutzung“ und legte damit den Fokus auf eine produktive Verknüpfung ökologischer Nachhaltigkeit, technologischer Effizienz und ökonomischer Optimierung. Alle drei Aspekte können sich trotz differenter Schwerpunktlegungen gegenseitig positiv verbinden und motivieren, und so dem Werkzeugbau helfen, belastbare Antworten auf die Fragen und Aufgaben der Gegenwart zu finden.

Externe Einflüsse: Internationale Rohstoffmärkte und Bürokratien

Eine momentane Herausforderung der Werkzeughersteller besteht in der Verfügbarkeit der Rohmaterialien, also von Rohstoffen wie Wolfram, die die Basis der Hartmetallwerkzeuge bilden. Deren Verbreitung auf dem europäischen Markt ist derzeit stark eingeschränkt und die Preise sind im letzten halben Jahr zum Teil explodiert: Nicht nur schränkte China den Export dieser Metalle ein, es kauft auch massiv die verbliebenen Rohstoffe auf den globalen Märkten ein. Dies hat eine Verknappung zu Folge, und eine Erhöhung der Kosten. Selbst am Schrott zeigt sich diese Tendenz, wird dieser doch durch höhere Preisangebote ebenfalls aus China vom europäischen Markt abgeschöpft. Eine Reaktion der Branche ist, die eigenen Rohstoffquellen abzusichern, die Wiederaufbereitung noch energischer anzugehen und auch den Schrott als wertvollen Rohstoff auf dem europäischen Markt zu halten, denn die kurzfristigen Einbußen im Verkaufspreis rechtfertigen sich durch mittel- und langfristige Vorteile. Zugleich muss das Ziel sein, die verknappten Ressourcen effizient zu nutzen, was wiederum Ansätzen der Aufbereitung der Werkzeuge und ihre nachhaltige, optimale Anwendung Dynamik verleiht, wie auch an den Themen der Werkzeugtagung deutlich wurde.

Wie viele andere Branchen belasten auch den Werkzeugbau bürokratische Hemmnisse, was ein zweiter externer Faktor ist. Neben die nationalen tritt mit der Europäischen Union noch eine transnationale Ebene hinzu, wodurch es in der konkreten Erfahrung des Werkzeugbaus zu einem kaum mehr überschaubaren Wirrwarr unterschiedlicher Akteure und Rechtsvorschriften kommt. So stellen sich beim Import von Rohstoffen oftmals komplexe Aufgaben unterschiedlicher Nachweispflichten. Ein weiterer Punkt ist der abnehmende Zeithorizont von Richtungsentscheidungen der Politik: Industrielle Transformationsprozesse brauchen aber langfristige Perspektiven und die Gewissheit, dass sich Investitionen lohnen. Der Rahmensetzung der Politik fehlt es demnach an einer ordnungspolitischen Ausrichtung, die aber wiederum für die Setzung innovativer Impulse zentral ist.

Eine Antwort auf limitierende Vorschriften ist Forschung und Entwicklung: Wenn die EU die Verwendung von Blei in den Werkstoffen wie Aluminium verbietet, dann muss nach einem adäquaten Ersatz gesucht werden. Zunächst musste die Wirkung von Blei als Komponente und in der Verarbeitung verstanden werden: Kurzum hat das Blei als Weichmacher und Schmiermittel in der Verarbeitung positiven Einfluss gerade in Hinsicht des Ideals der Erzeugung vieler kleiner Späne beim Fräsen. Wenn es im Material wegfällt, ist ein verminderter Spanbruch bei Zerspanungsprozessen die Folge, was wiederum zu langen Band- und Wirrspänen führt, die die Maschine verstopfen, den Produktionsprozess stoppen und nur mühsam zu entfernen sind. Ein Weg wäre, die Werkzeuge u.a. durch veränderte Geometrien anzupassen, um den Spanbruch zu fördern und die Nutzung bleireduzierter Legierungen wie Messing gangbar zu machen. Hierin könnte also eine Ausweichmöglichkeit bestehen, die die Standards der Produktion erfüllt, wobei die Parameter der Nutz- und Skalierbarkeit im Maßstab der industriellen Produktion noch zu prüfen sind.

Die Wahlverwandtschaft von Effizienz und Ökologie

Eine andere Antwort ist die weitere Optimierung der Fertigungsverfahren von Werkzeugen, wobei diese schon immer ein Motiv der Werkzeugherstellung war. So gibt es Ansätze auf verschiedenen Wegen: Eine Möglichkeit, die auf der Tagung präsentiert wurde, besteht in der simulationsbasierten Fräswerkzeugentwicklung. Durch diese Optimierung kann gleichzeitig die Qualität der Fertigung garantiert und der Verschleiß der Werkzeuge minimiert werden. Ein solcher Ansatz nutzt sogenannte Greybox-Modelle, um den Werkzeugverschleiß zu prognostizieren und die Verwendungszeit der Werkzeuge zu maximieren. Ein abstrakt-physikalisches Modell (White-Box) wird mit einem an realen Sensordaten trainierten Modell (Black-Box) kombiniert, um so den idealen Punkt des Verschleißes taxieren zu können. Durch die effiziente Ausnutzung der Werkzeuge wird der Aufwand an Material und Energie minimiert.

Eine weitere Möglichkeit ist es, Werkzeuge modular aufzubauen, und bei Verschleiß nur jene Teile austauschen zu müssen, die tatsächlich unbrauchbar geworden sind. Wie bei vielen Anwendungsfällen muss diese Umsetzung von Prinzipien der Nachhaltigkeit bereits bei dem Design der Werkzeuge bedacht werden. Welche Teile müssen am Ehesten ausgetauscht werden, wo kann ein Werkzeug sinnvoll gegliedert werden usw.. Im Ideal würde sich eine nachhaltige Werkzeugnutzung anhand der Prinzipien „Recycle – Reduce – Reuse“ orientieren, was auch der Titel eines Vortrags auf der Werkzeugtagung war.

Nicht zuletzt war die Künstliche Intelligenz wie nicht anders zu erwarten ein Thema, das die Branche umtreibt. Wichtig ist hierbei, dass es weder ein Buzzword noch ein Heilsversprechen ist, sondern ein Instrument, dass am rechten Platz und richtig genutzt durchaus Vorteile bieten kann, u. a. in der Auswertung von Daten und der anschließenden Optimierung von Fertigungsprozessen. Genau wie im Falle der additiven Fertigung bedarf es Erfahrungswerten im Umgang mit dieser Technologie, um die Vor- und Nachteile im konkreten Umgang zu eruieren. Hier ist die Branche noch am Suchen nach der idealen Passung KI-gestützter Technologien.

Der Weltraum und das Vakuum. Innovation und Ausblick

Zwei Vorträge setzten Impulse in Hinsicht spezieller Anwendungsfelder: Das Unternehmen Spaceoptix aus Jena, eine Ausgründung aus dem Fraunhofer IOF, befasst sich mit der Entwicklung, der Fertigung und der Integration von hochpräzisen Metalloptiken und Spiegelsystemen, wie sie unter anderem in der Kommunikation von Satelliten Verwendung finden. Diese Anwendungsbereiche stellen hohe Ansprüche an die Verfahren der Fertigung (CNC-Fräsen, Drehen und u. a. Polieren) und die genutzten Werkzeuge. Ein konkretes Forschungsprojekt, an dem Spaceoptix beteiligt ist, ist das satellitenunterstützte Monitoring der Wasserversorgung von Agrarflächen. 

Den zweiten Impuls setzte mit VACOM ein Unternehmen, das in der Vakuumtechnologie für Anwendungen in Forschung und Industrie ein Alleinstellungsmerkmal gefunden hat und unter anderen für Partner in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie im Themenfeld Beschichtungsverfahren tätig ist. Die Fertigung von hochreinen Bauteilen und die Säuberung von Komponenten ist ein wachsender Bereich, auf den gerade aktuelle Spitzentechnologien zurückgreifen: So bedarf die Herstellung modernster Computerchips über EUV-Lithografie – die Abkürzung steht für extremes ultraviolettes Licht – nicht nur hochwertigste Bauteile, sondern auch einem hohen Grad an Oberflächenreinheit aller Komponenten. Die Herstellung und anschließende Reinigung von Bauteilen für die Halbleiterindustrie setzt wiederum hohe Maßstäbe an die Fertigungsprozesse.

Spitzentechnologie braucht in Forschung und Anwendung versierte Fachkräfte: Neben Unternehmen wie VACOM, die sich dezidiert zur Ausbildung verpflichtet haben, ist die Hervorbringung von Nachwuchskräften eine universitäre Aufgabe. An Hochschulen angewandter Forschung wie der Hochschule Schmalkalden werden die Fachkräfte von morgen ausgebildet, wobei neben den theoretischen Kenntnissen auch ein Augenmerk auf die Vermittlung praktischer Kompetenzen gelegt wird. Dies zeigt sich auch im Rahmen der Tandemprofessur von Andreas Wirtz, der zu gleichen Teilen an der GFE und der HSM beschäftigt ist: Als Geschäftsbereichsleiter „Zerspanungswerkzeuge & Technologie“ an der GFE und Inhaber der Professur für „Fertigungstechnik und virtuelle Prozessgestaltung“ an der HSM kann Professor Wirtz die Erfahrungen beider Welten zum Vorteil seiner Forschung und Lehre verbinden. Neben der Werkzeugtagung ist es also die Tandemprofessor von Andreas Wirtz, an der sich die Möglichkeiten vertrauensvoller Kooperation von Wissenschaft und Industrie ablesen lassen.

Hilfe auf unbekanntem Terrain. Wie Therapien gegen Post-Covid entwickelt werden

Hilfe auf unbekanntem Terrain. Wie Therapien gegen Post-Covid entwickelt werden

Tobias Braun

Zwar haben sich die massiven Beeinträchtigungen des Alltags merklich reduziert, die individuellen und gesellschaftlichen Belastungen in Folge der Corona-Pandemie sind aber noch immer spürbar. Das Post-Covid-Syndrom ist mittlerweile als Krankheitsbild anerkannt, und die Verbesserung von Diagnose, Prophylaxe und Therapie bilden eine Triebfeder medizinischer Forschung. Professor Thomas Urban entwickelte zusammen mit dem Post-Covid-Zentrum in Senftenberg ein spezifisches Therapie-Konzept für Post-Covid-19-Patient:Innen und stellte in einem Bericht zu seinem zurückliegenden Forschungssemester seine Ansätze, Vorgehensweise und einige Ergebnisse vor, wobei dies auch zentrale Themen seiner zweiten Habilitationsschrift sind.

Die angewandte Wissenschaft im medizinischen Bereich hatte sich bereits zu Anfang der Pandemie durch eine immens schnelle Entwicklung und Bereitstellung verschiedener wirksamer Impfstoffe und deren kontinuierliche Anpassung an unterschiedliche Varianten hervorgetan. Ohne diese Errungenschaften der pharmazeutischen Einrichtungen und Unternehmen in Forschung und Produktion wären die Folgewirkungen von Corona gewiss weit drastischer und langwieriger gewesen. Die Reaktion auf die Pandemie macht das innovative Potential anwendungsnaher, medizinischer Forschung sowie der Health Tech deutlich, die modernste Technologien mit einem Fokus auf das physische und psychische Wohl von Patient:Innen verbindet.

Forschung in Progress

Die Forschung in diesem Bereich ist aber keineswegs abgeschlossen: Einerseits gibt es immer neue Varianten des Virus und damit die Notwendigkeit, die Impfstoffe anzupassen, um vulnerable Gruppen weiter effektiv zu schützen. Andererseits muss sich die medizinische Entwicklung mit den physischen und psychischen Auswirkungen der Pandemie befassen. Wie bei der Entwicklung von Impfstoffen stellt dabei die Neuartigkeit des Erregers die Forschung vor Herausforderungen, muss es doch zunächst darum gehen, das Krankheitsbild selbst zu verstehen und seine verschiedenartigen Ausprägungen zu charakterisieren. An diese Grundlegung können dann Überlegungen zu therapeutischen Maßnahmen anschließen.

Dem Post-Covid-Syndrom kommt als nunmehr anerkanntem Krankheitsbild breite gesellschaftliche Aufmerksamkeit zu, gerade weil die Spätfolgen einer Corona-Erkrankung nicht wenige Menschen betreffen und in ihrem Alltag belasten. Auch wenn die beiden Phänomene umgangssprachlich synonym verwandt werden, bezeichnet Long-Covid die anhaltenden Beeinträchtigungen mehr als vier Wochen bis zu drei Monaten nach der Infektion, und Post-Covid den anschließenden Zeitraum.[1]

Vergleichbar mit anderen Infektionskrankheiten können aus einer Corona-Infektion (SARS-CoV-2) verschiedenartige Langzeitfolgen resultieren, die Beeinträchtigungen der Organsysteme wie Herz, Lunge, Gehirn und u.a. Nebenorgane über einen längeren Zeitraum umfassen. Langzeit meint hier anhaltenden Beschwerden zwölf Wochen nach der eigentlichen Infektion, wobei die Häufigkeit des Auftretens zwischen 10% und 20% schwankt. Als verursachende Faktoren werden aktuell eine Überaktivierung des Immunsystems und eine Thrombusbildung im Mikrogefäßsystem diskutiert.[2] Die Folgen für die Menschen sind wiederum breitgefächert und reichen von Erschöpfungszuständen (Fatigue[3]) über Herz-/Kreislaufprobleme und Gleichgewichtsstörungen bis hin zu Nervenleiden und anhaltendem Schmerz. Diese Varianz legt die Komplexität des Syndroms nahe, was einerseits seine medizinische Beschreibung sowie ursächliche Verortung und andererseits die therapeutischen Ansätze anbetrifft, wobei hier verschiedene Disziplinen der Medizin kooperieren müssen. Das Ziel der Therapie ist neben der Symptomlinderung die Vermeidung der Verstetigung der Leiden und Befähigung der Betroffenen zur Teilhabe am Privat- und Berufsleben.

Der Blended-Therapy-Ansatz

Für diese Multidisziplinarität eignet sich ein innovativer Therapieansatz, den Professor Urban im Rahmen seines Forschungssemester analysierte und den er zugleich an einem Corona-Therapie-Zentrum empirisch untersuchen konnte. Der gewählte Zugang nennt sich Blended-Therapy und verschränkt klassisch-analoge mit digitalen Therapieformen. Durch die digitale Ergänzung wird eine flexiblere, räumlich wie zeitlich ungebundenere Behandlung möglich, die auch kontinuierliche therapeutische Formen und eine individuelle Umsetzung ärztlicher Empfehlungen zulässt. Zum Beispiel erlauben mobile Apps und Smart-Watches eine automatisierte, engmaschige (Selbst-)Kontrolle sowie spezielle Monitor-Kamera-Systeme überwachte Übungen in der Häuslichkeit und deren Kontrolle in Echtzeit. Die Forschung an diesen Therapieansätzen ist auch deswegen geboten, weil es derzeit kaum spezifische sektorübergreifende Konzepte gibt und bislang auch kein Therapieansatz bei Post-Covid als Standard empfohlen wird, der sich den Ursachen der Leiden im Unterschied zu symptomlinderungsorientierten Ansätzen annimmt und der nach empirischen Kriterien überprüft worden wäre.

Orientiert an den S2k-Leitlinie der Deutschen Gesellschaft für Neurologie und dem Post-COVID-Versorgungskonzept der LMU wurde eine Therapie entwickelt, die die spezifischen Bedarfe von Post-Covid-Betroffenen einerseits berücksichtigt, aber andererseits den Patient:Innen in gewissem Maße Belastungen zumutet. Diese waren in den bisherigen Post-Corona-Therapien eher unüblich.[4] Eine Folge des beeinträchtigten Energiehaushalts sind mögliche spontane Zusammenbrüche (postexertionelle Malaise), die Patient:Innen nicht voraussehen konnten und die den Rekonvaleszenzprozess immens zurückwarfen.[5] Zugleich haben Therapiemethoden, die Formen der Belastung nutzen und Überanstrengungen durch kontrollierte Bedingungen vermeiden, durchaus Erfolge vorzuweisen. Das individuelle Energiemanagement und die Minimierung von Überlastung waren in den Therapieansätzen wichtige Faktoren.

Die Blended-Therapy verknüpft die klassische Behandlung in Präsenz mit digitalen Interventionsinstrumenten, womit sich die Möglichkeit zur Echtzeitanalyse der Belastung, des Leistungsvermögens und der Beanspruchung des energetischen Haushalts der Patient:Innen während der Übungen (auch in der Häuslichkeit) bietet. Anstatt einer umfassenden Schonung wurden sensomotorische Einschränkungen und Fatigue mit einem Gleichgewichtstraining und motorischen Übungstherapien begegnet. Anschließend wurde eine auf Fatigue ausgelegte kognitive Verhaltenstherapie umgesetzt, in deren Fokus zudem die sekundären psychosomatischen Symptome sowie die Erfassung der subjektiven Wirksamkeit der Trainingstherapie standen.

Studie und Auswertung

Die begleitende Studie fand in einem dreijährigen Zeitraum am dem Corona-Therapie-Zentrum Lausitz (Senftenberg) statt. Neben den Veränderungen der Leitsymptome mussten auch allgemeine Auswirkungen auf die physische und psychische Gesundheit sowie sekundäre Effekte beachtet werden. Der Studie standen 407 Patient:Innen zur Verfügung, die bestimmte Kriterien erfüllten. Die Trainings fanden in Präsenz ebenso statt wie bei den Patient:Innen zu Hause, wobei so die erforderliche Übungsdichte erreicht werden konnte. Die zweite Phase wurde von einer Befragungsstudie begleitet, um hieraus wichtige Erkenntnisse über den Nutzen therapeutischer Maßnahmen im Rahmen der Gesundheitsversorgung zu gewinnen.

Prof. Dr. Thomas Urban auf dem Ärzte-Konferenz an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus – Senftenbergam am 12. März 2016

Die Evaluation der Therapie bemaß sich an zwei Kriterien, den Post-Covid-Leitsymptomen und den motorischen Fatigability-Parametern, wobei letztere einen Indikator für die Beweglichkeit bereitstellen. Generell ließen sich positive Effekte sowohl in Hinsicht der Leitsymptome als auch der motorischen und kognitiven Fatigability-Parameter ausmachen.[6] Am Ende konnten also ebenso positive therapeutische Effekte festgehalten werden sowie der Nutzen des Blended-Therapy-Ansatzes, der sich zudem in das bestehende Versorgungssystem integrieren lässt. Die Therapie machte es den Betroffenen nicht zuletzt möglich, mit ihrem verringerten Energiehaushalt umgehen zu lernen, und zugleich die verbliebenen Kapazitäten effektiv zu nutzen. Um den Patient:Innen wieder die Chance zur aktiven Teilhabe am gesellschaftlichen oder beruflichen Leben zu bieten, ist dies ein erster, wichtiger Schritt.

Die Habilitationsschrift mit dem Titel „, Sektorenübergreifende beanspruchungsgesteuerte multimodale Blended Therapy für Post-COVID-19-Patienten mit Fatigue und sensomotorischer Instabilität“ hat Professor Urban im Bereich Versorgungswissenschaft des Instituts für Medizintechnologie an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus-Senftenberg eingereicht.

[1] Vgl. Urban 2025, Sektorenübergreifende beanspruchungsgesteuerte multimodale Blended Therapy für Post-COVID-19-Patienten mit Fatigue und sensomotorischer Instabilität, S. 10 – 24, (Manuskript) und https://www.kvberlin.de/fuer-praxen/aktuelles/themen/thema/long-covid.

[2] Vgl. Urban, Thomas et al., Fatigue und sensomotorische Instabilität. Neurologisch kontrollierte Konversion von Post-COVID-19-Patienten, in: Nervenarzt (2024:95, S. 1104 – 1115), S. 1107

[3] „Die Fatigue wird durch eine subjektiv oft stark einschränkende, zu den vorausgehenden Anstrengungen unverhältnismäßige, durch Schlaf nicht aufzuhebende körperliche (insb. motorische), kognitive und/oder psychische Erschöpfung charakterisiert.“ (Vgl. ebd., S. 1106) Ein weiteres Merkmal ist das unabsehbare Auftreten der Erschöpfung, was wiederum den individuellen Energiehaushalt anbetrifft.

[4] Bei energetischer Verarmung, Fatigue und ähnlichen Krankheitsbildern wurde eher die Schonung der Betroffenen empfohlen.

[5] Die Beanspruchungsreaktionen können wiederum somatischer, kognitiver und auch emotionaler Natur sein. Ein Problem bei der Vermeidung der Crashs ist, dass es keine Verhältnismäßigkeit zwischen faktischer Belastung und der Auslösung der Zusammenbrüche gibt. Die technischen Möglichkeiten erlauben eine Belastungssteuerung in Echtzeit, was wiederum hilft, Zusammenbrüche zu vermeiden. (Vgl. ebd., S.1110)

[6] Ohne auf die Details der Auswertung hier weiter einzugehen, soll doch auf eine Problematik hingewiesen werden, an der wiederum die Herausforderungen therapeutischer Ansätze deutlich wird. So kam es bei Frauen zu einer Verschlechterung der sekundären psychosomatischen Symptome: Eine Erklärung hierfür ist der schnellere Verlauf der Therapie bei Männern und die sich daraus ergebende längere Beanspruchung bei Frauen, eine Selbstüberschätzung und ein ausweichendes Verhalten speziell junger Frauen. Therapien müssen diese Besonderheiten verstehen und reflexiv in ihren Behandlungen berücksichtigen, um die anderweitigen Erfolge nicht zu gefährden.

Panta rhei. Die Materialwissenschaft und ihr Blick auf die Dynamik der Welt

Panta rhei. Die Materialwissenschaft und ihr Blick auf die Dynamik der Welt

Tobias Braun

Der griechische Aphorismus Heraklits, nach dem alles fließt, gewinnt auf dem Felde der Materialwissenschaft zusätzliches Profil. Das Prinzip des ewigen Werdens und Wandelns lässt sich hier darin übersetzen, dass Nichts wirklich fest ist, und manche Dinge wider Erwarten nicht wirklich scharf getrennt sind. Es ist dies ein eigener Blick auf die Struktur der Materialien und ihre Beziehungen, auf das das Wechselspiel zwischen Stoffen und Dingen. Und was all das mit der Produktion modernen Mikrochips zu tun hat, die in unseren Smartphones und Smartwatches stecken, darum wird es auf den folgenden Seiten gehen.

Zunächst ist es sinnvoll, das Fach selbst vorzustellen: Die Materialwissenschaft ist eine Disziplin zwischen Chemie, Physik sowie den Ingenieurwissenschaften und verknüpft diese Felder in einer eigenständigen Perspektive. Sie ist mithin ein interdisziplinäres Fachgebiet, das sich mit der Erforschung, Entwicklung und Anwendung von Materialien und Werkstoffen befasst. Als Wissenschaft, in deren Fokus Materialien stehen, zielt sie auf das Verständnis der Stoffgemische, ihren Wechselwirkungen und den daraus resultierenden Eigenschaften , es geht um chemische Beschreibungen ebenso wie um physikalische, chemische und mechanische Charakterisierungen, um Analysen der Strukturen und der Zusammensetzung von Substanzen ebenso wie um die Herstellungsbedingungen, die durch Faktoren der Thermodynamik und Kinetik beschreiben wird. Im Fokus stehen demnach thermodynamische und kinetische Grundlagen für ingenieurwissenschaftlich bedeutsame Werkstoffe:  Zugänge ergeben sich durch die Erarbeitung von Phasendiagrammen, die Untersuchung von Diffusionsprozessen oder auch die Charakterisierung von inneren Grenzflächen.

Ferner befasst sich ein Teilbereich der Materialwissenschaft mit Entwicklung neuer bzw. adaptierter Stoffe mit spezifischen Eigenschaften, die auf die Anforderungen bestimmter Anwendungsfälle abgestimmt sind. Wenn wir an die hochspezialisierten Materialien denken, die zum Beispiel in der modernen Mikroelektronik Verwendung finden und eine Grundlage für die Miniaturisierung und Leistungssteigerung sind, wird klar, wie die Materialwissenschaft durch ihre Verbindung von natur- und ingenieurwissenschaftlichen Ansätzen innovative Potentiale schöpft. Hier zeigt sich auch der Brückenschlag zwischen der Grundlagenforschung und der Transferierung in die anwendungsorientierte Wirklichkeit, der gerade als produktive Verknüpfung von Forschung und Entwicklung für Hochschulen angewandter Wissenschaften wichtig ist. 

Wie arbeiten Materialwissenschaftler:innen?

Um die Eigenschaften von Stoffen und deren Veränderungen in unterschiedlichen Zuständen zu verstehen, eignen sich Phasendiagramme, also Darstellungen der Zustandsübergänge in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern. In diesen Diagrammen werden die Übergänge der Zustände (von fest zu flüssig zu gasförmig usw.) durch Einflussgrößen wie Zusammensetzung und Temperatur dargestellt. Dabei haben die Stoffe bzw. einzelne Bestandteile je Zustand und unter anderen während der Übergänge unterschiedliche, relevante Eigenschaften, die es zu charakterisieren gilt. So lässt sich an diesen Diagrammen das thermodynamische und kinetische Verhalten sondieren, das dann zum Beispiel gezielt bei Herstellungsverfahren genutzt werden können.

Ein anderer Aspekt innerhalb der Materialwissenschaft ist die Diffusion, also die Wechselbeziehungen zwischen Stoffen, zum Beispiel zwischen zwei Metallschichten. Unser Alltagsverständnis legt nahe, dass es zwischen beiden Metallen keine Wechselwirkungen gibt, sind doch beide solide Körper, die vollständig separat für sich bestehen. Wenn wir aber niedrigskalische Beobachtungsmethoden wie Elektronenmikroskope wählen, in denen die Atome und die Atomgitter sichtbar werden, verändert sich das Bild: Zwischen den Metallen, um in unserem Beispiel zu bleiben, können Beziehungen bestehen, was unteren anderem zur gegenseitigen Vermischung oder auch zur Einverleibung eines Stoffs durch den anderen führen kann. Wenn verschiedene Metalle und Legierungen wie bei der Mikrochipfertigung in der Elektrotechnik kombiniert werden, müssen solche Effekte bedacht werden, die in den Materialwissenschaften in den Fokus treten.

Die Untersuchung ebensolcher Interdiffusionsvorgänge ist ein Teilaspekt der Materialwissenschaft, der uns zu Martin Seyring und seiner Forschung an der Hochschule Schmalkalden führt. Dr. Martin Seyring hat im Oktober 2022 eine Stelle an der HSM angetreten, er ist wissenschaftlicher Mitarbeiter für Rasterelektronen- und optische Mikroskopie an der Fakultät der Elektrotechnik. Zuvor forschte und lehrte er an Friedrich-Schiller-Universität Jena, an der er auch promovierte.

Materialwissenschaftliche Forschung an der HSM

Das Forschungsthema Martin Seyrings sind Phasenungleichgewichte an metallischen Grenzflächen, was im Bereich der Materialwissenschaften Prozesse wie die Interdiffusion umfasst. An der HSM arbeitet er mit Roy Knechtel zusammen, der die Professur für Autonome Intelligente Systeme innehat. Beide forschen nun an der Entwicklung mikroelektronischer Bauteile, sogenannten MEMS. Es geht unter anderem um Druck-, Beschleunigungs-, Drehraten-, Infrarotstrahlungs- und Neigungssensoren, die eine technologische Grundlage unserer modernen Gerätschaften wie Smartphones oder Smartwatches bilden. Während sich Roy Knechtel mit der mikroelektronischen Konstruktion und Integration der Sensoren befasst, widmet sich Martin Seyring der Einbindung der Sensoren, die zum Beispiel über Prozesse des Bondens und Lötens geschehen, und bringt so seine Erfahrungen aus dem metallurgischen Bereich der Materialwissenschaft ein. Um bei dem Ziel, immer höher Integrationsdichten zu erreichen und kleinere, effizientere und leistungsstärkere Bauteile zu realisieren, voranzukommen, rücken die verwandten Materialien und deren komplexe Beziehungen zunehmend in den Fokus.

Ein Ziel ist die Ausreizung technischer Potentiale bei der Verbindung der winzigen Strukturen auf und mit dem Siliziumwafer. Selbstredend gibt es nicht nur ein Verfahren des Bondens, sondern verschiedene Methoden, die sich wiederum für unterschiedliche Anwendungsfälle eignen. Neben dem anodischen Bonden und zum Beispiel dem Glas Fritte Bonden können beim metallischen Bonden auch Metalle bzw. Legierungen zur Verbindung verwandt werden, und hier setzt die Forschung Martin Seyrings und seine Erfahrung mit metallischen Werkstoffen sowie dem Verhalten von Dünnschichten an. Was sind die Beziehungen zwischen den einzelnen Metallschichten – die teils beim Bonden, Löten und Lackieren entstehen –, und wie lassen sich diese in verschiedenen Hinsichten optimieren?

Ein wichtiger Aspekt bei den Wechselwirkungen ist die Zeit: Diffusion und chemische Reaktionen laufen mitunter sehr langsam ab, gleich sind ihre Folgen erheblich. Eine Einflussgröße ist hier die Temperatur, welche diese beiden Prozesse beschleunigt. So ergibt sich zugleich eine Möglichkeit für die Forschung: Durch die kontrollierte Erhöhung der Temperatur lässt sich eine größere Zeitspanne simulieren und die Effekte auf die Materialien studieren. So lassen sich dann Fragen beantworten, wie warm Komponenten werden können oder wie dünn die verwandten Schichten ausfallen dürfen, was gerade aus Sicht einer effizienten Produktion in hoher Stückzahl relevant ist.

Wo sich Technologie und Ökologie verbinden

Mit der Nachhaltigkeit wurde ein wichtiger Aspekt angetippt, der uns galant zu einem aktuellen Forschungsvorhaben Martin Seyrings und Roy Knechtels hinleitet. Der Titel des Projektes lautet MatInWLP, was für Material-Innovationen  im Wafer-Level-Packaging steht. Wiederum verbinden sich hier die von uns bisher verhandelten Themen in einem neuen Kontext. Neben dem Fokus auf den Materialen steht das WLP im Zentrum: Dies meint den Versuch, die Komponenten direkt auf dem Wafer aufzubringen, und sich viele einzelnen Prozessschritte zu sparen. Anders formuliert erfolgen beim WLP die Aufbauschritte von Halbleiterchips zu einsatzfähigen Bauelementen simultan und direkt auf Waferebene, was unter anderem die Schritte der Verkapselung und Kontaktierung umfasst. In diesem Projekt werden zugleich innovative Verfahren der 3D-Druck-Technologien aufgegriffen, die für das WLP eine Rolle spielen könnten.

Um den innovativen Charakter zu verstehen, gilt es, den bisherigen Stand der Produktion von Chips zu betrachten: Trotz oder unabhängig von der enormen Steigerung der Quantität – neben der Qualität – der produzierten mikroelektronischen Komponenten ist deren Fertigung noch immer mit einem immensen logistischen Aufwand verbunden. Für die vielen einzelnen Fertigungsschritte reisen die Bauteile um den Globus, und hinterlassen so einen prägnanten ökologischen Fußabdruck. Ferner sind die mitunter heiklen Herkünfte der verwandten Materialien wie Cobalt zu bedenken: Die Entwicklung hin zur immer weiteren Miniaturisierung wird in Hinsicht des Materialverbrauchs durch die schiere Masse an produzierten Chips wettgemacht. In dem Projekt MatInWLP verbinden sich kurzerhand technologische und ökologische Ambitionen: Einerseits geht es um die technische Realisierung einer direkten Integration der Bauteile auf dem Wafer, was an sich schon Herausforderung genug ist. Andererseits geht es um den Versuch, durch die direkte Bündelung auf dem Wafer neben den Transportkosten auch den Materialeinsatz zu minimieren, und die ökologischen Folgekosten so weiter zu reduzieren.

Das Forschungsprojekt „MatInWLP“ wird von der Carl-Zeiss-Stiftung gefördert, die in ihrem Themenschwerpunkt RessourcenEffizienz die Optimierung von Fertigungsverfahren und Materialkombinationen fördert und in diesem Projekt die technologischen, ökonomischen und ökologischen Potentiale erkennt. In der anwendungsorientierten Forschungsförderung verfolgt die Stiftung das Ziel, Ergebnisse und Erkenntnisse auch in die konkrete Anwendung zu bringen. Das Projekt hat eine Laufzeit bis Anfang 2027 und wird mit 1 Million Euro gefördert.