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Forschung trifft Industrie
Coronapandemie, Krieg in der Ukraine und Klimakrise bedeuten für die Industrie unterbrochene Lieferketten, explodierende Energiepreise und steigende Anforderungen an eine nachhaltige Produktion. Neue Lösungen werden dringend gebraucht.
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von ANDREA STEGEMANN
Über Jahre wirkte die große Industriemesse in Hannover wie ein Insidertreffen der Fachwelt, die unter dem Motto „Integrated Industry“ in weiten Teilen eine Nabelschau betrieb. Es ging um digitale Vernetzung, Industrie 4.0, den Einsatz von Künstlicher Intelligenz – mit Fokus auf Effizienz und Wertschöpfung. Erst das Leitthema „Industrial Transformation“ für 2020 versprach eine gewisse Öffnung.
Jochen Köckler, Vorstandsvorsitzender der Deutschen Messe, prognostizierte damals: „Wir kommen in eine Phase der Veränderungen, wie wir sie lange nicht gesehen haben.“ Er sollte recht behalten. 2020 fiel die Messe coronabedingt aus, 2021 fand sie nur digital statt, und erst in diesem Jahr ist wieder ein Branchentreffen vor Ort möglich. Die Lage hat sich inzwischen zugespitzt, die Messeverantwortlichen sprechen gar von einer Zeitenwende.
„Angesichts der aktuellen weltpolitischen Lage sind die Themen der Hannover Messe relevant wie nie zuvor“, sagt Jochen Köckler heute. „Im Kern geht es darum, wie wir in einer sich dynamisch verändernden Welt – politisch, ökologisch und wirtschaftlich – für Versorgungssicherheit und Wachstum sorgen können und dabei gleichzeitig dem Klimawandel entgegenwirken.“ Innovative Technologien würden dabei eine Schlüsselrolle spielen, ergänzt er. Zu finden hofft man diese vor allem in den Bereichen Automatisierung und Künstliche Intelligenz, wie das Messe-Leitthema „Digitalisierung und Nachhaltigkeit“ nahelegt. Wobei der Gedanke nicht neu ist: Vor genau zehn Jahren gab es mit „greentelligence“ bereits ein ähnliches Motto.
Sicherheit und Klimaschutz
Worum es im Jahr 2022 geht, zeigen die Forschungspartner der Messe, etwa das Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Holger Hanselka, Präsident des KIT, ist nicht nur Mitglied im Ausstellerbeirat der Hannover Messe, sondern auch Vorsitzender des Fachbeirats des Future Hub. In dieser Forschungshalle der Messe stellt das KIT in diesem Jahr seine Sicherheitsforschung für nachhaltige Energiesysteme vor. Zu schützen sind etwa die Schnittstellen, über die auf privaten Hausdächern gewonnene Energie ins allgemeine Energiesystem eingebracht wird. Denn diese Schnittstellen sind Einfallstore für Angriffe von außen. Ein weiteres Forschungsthema ist die Sicherung der Netzstabilität für den Fall, dass Teile des Gesamtsystems ausfallen.
Daneben stellt das KIT Forschungsprojekte aus der Klima- und Risikoforschung vor, mit denen Planungs- und Entscheidungsprozesse in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft unterstützt werden sollen. Wie groß der Bedarf dafür ist, zeigte die Flutkatastrophe im Ahrtal, die deutlich machte, wie katastrophal die Folgen von Fehleinschätzungen und mangelhafter Planung sein können.
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In der Halle „Energy Solutions“ präsentieren KIT-Forscher Möglichkeiten, Kohlendioxid aus der Atmosphäre zurückzugewinnen und den darin enthaltenen Kohlenstoff als industriell nutzbaren Wertstoff zu verwenden. Mehrere Institute des KIT verknüpfen im CarbonCycleLab die komplette Prozesskette des Kohlenstoffkreislaufs der Zukunft: von Rest- und Abfallstoffen bis zu daraus gewonnenen chemischen Grundstoffen für die Wiederverwendung in der Chemieindustrie als Ersatz für fossile Rohstoffe. Damit trägt das CarbonCycleLab dazu bei, die Energiewende mit einer Kreislaufwirtschaft zusammenzuführen, um zukünftig zu einer ressourceneffizienten, klimaneutralen und wettbewerbsfähigen Wirtschaft zu finden.
Ein anderes KIT-Team zeigt, wie grüner Überschussstrom in speicherbare Energieträger – etwa Methanol oder Wasserstoff – verwandelt werden kann.
Die Wasserstofftechnologie ist erwartungsgemäß ein großes Thema in Hannover, auch wenn das Thema nicht wirklich neu ist: Die Hydrogen + Fuel Cells EUROPE findet 2022 bereits zum 25. Mal im Rahmen der Hannover Messe statt. Doch die Rekordbeteiligung von 170 Ausstellern aus 20 Ländern zeigt, wie dynamisch die Entwicklung bei diesem Thema derzeit verläuft.
Erstmalig wird im Rahmen des Branchentreffs der H2Eco Award verliehen. Er zeichnet Unternehmen aus, die innovative Projekte rund um die industrielle Wasserstoff-Erzeugung in die Anwendung bringen und damit inspirierende Wegbereiter einer grünen Wasserstoff-Marktwirtschaft sind. Schirmherr des Awards ist Robert Habeck, Bundesminister für Wirtschaft und Klimaschutz.
Leichtbau und Wasserstoff
Auch der Lightweighting Summit ist in diesem Jahr mit dem Thema Wasserstoff verknüpft. Sowohl der Leichtbau als auch die Wasserstofferzeugung seien Schlüsseltechnologien für Ressourcen- und Energieeffizienz, die der Industrie Klimaschutz und Widerstandsfähigkeit ermöglichen, so der Veranstalter – das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz. Als Repräsentanten aus der Forschung sprechen auf dem Summit KIT-Präsident Holger Hanselka sowie der Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft Reimund Neugebauer.
Eine technologische Innovation im Zusammenspiel von Leichtbau und Fahrzeugbau zeigt beispielsweise das Fraunhofer LBF. Dort haben Forschende vibroakustische Metamaterialien – künstlich geschaffene Strukturen mit bestimmten, in der Natur nicht vorkommenden Eigenschaften – entwickelt, die Schwingungs- und Lärmbelastungen deutlich verringern.
Um den Weg in die Wasserstoffzukunft zu beschleunigen, steht am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand die neu geschaffene Referenzfabrik.H2. Sie soll Unternehmen beim Aufbau einer Serienproduktion von Elektrolyseuren und Brennstoffzellen unterstützen. Elektrolyseure sind notwendig, um Wasser mit Strom in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten. Der dabei entstehende Wasserstoff kann anschließend entweder in der Prozessindustrie als nachhaltiger Rohstoff weiterverarbeitet oder mithilfe von Brennstoffzellen rückverstromt werden.
Bislang werden Elektrolyseure und Brennstoffzellen nur wenig automatisiert in kleinen Stückzahlen und zu hohen Kosten hergestellt. Die Referenzfabrik.H2 wurde nun für eine flexible, sich dynamisch anpassende Serienproduktion in beliebig großen Stückzahlen konzipiert. Unternehmen können damit die Potenziale einer solchen Produktion für sich prüfen.
Die Referenzfabrik.H2 ist auch ein Beispiel für das Messeleitthema „Digitalisierung und Nachhaltigkeit“, da sie nicht nur auf physischen, sondern auch auf virtuellen Komponenten beruht. In einem Referenzdesign werden neue Technologielösungen geschaffen oder bestehende optimiert. Parallel werden „digitale Zwillinge“ von den Produktionselementen entwickelt und in einer virtuellen Architektur verankert.
„Im Prinzip bauen wir eine Plattform auf, auf der wir die Kompetenzen der Fraunhofer-Institute und der beteiligten Partner zu einer effektiven Wertschöpfungskette für Wasserstoffsysteme fusionieren und somit den Interessenten einen ganzheitlichen Überblick zu den wirtschaftlichen Chancen verschaffen“, sagt Ulrike Beyer, Leiterin der Wasserstoff-Taskforce am Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU und Koordinatorin des Projekts. Die virtuellen Abbilder bieten den Forschungsteams die Möglichkeit, die Vernetzung neuer Produktionsverfahren und -anlagen zu simulieren und bereits am Rechner im Detail zu prüfen, zu vergleichen und so die geeigneten Materialien, Werkzeuge und Anlagen für eine effektive Fertigung auszuwählen. Auf diese Weise lassen sich Gesamtzusammenhänge bis hin zu kompletten Prozessketten übersichtlich darstellen und die bei der Fertigung der Wasserstoffsysteme entstehenden Kosten bewerten.
Das Besondere an der Plattform ist, dass Unternehmen nicht nur Nutzer der Services sein können, sondern auch mitgestaltende Partner.
Die starke Einbindung der Unternehmen mit ihren jeweiligen lokalen Gegebenheiten beschleunigt laut Projektkoordinatorin Beyer den Transfer der Lösungen in die Industrie. Geplant ist, der deutschen Industrie ab dem dritten Quartal dieses Jahres die Services und konkrete Formen der Beteiligung an der Referenzfabrik.H2 anzubieten.
Energieeffizientes Schweißen
Über 20 Fraunhofer-Institute präsentieren am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand und in den Hallen ihre großen und kleinen Lösungen. Schweißnähte gehören auf den ersten Blick zu den kleinen Themen. Allerdings kommen bei Containerschiffen, Schienenfahrzeugen, Brücken oder Türmen von Windkraftanlagen schnell mehrere hundert Meter solcher Nähte zusammen. Dabei fließt bei konventionellen industriellen Schweißverfahren wegen der geringen Intensität des Lichtbogens ein Großteil der aufgewendeten Energie nicht in den Schweißprozess, sondern geht als Wärme im Bauteil verloren. Dort kommt es zu Schädigungen, Bauteile können sich verziehen. Außerdem verbraucht die bisher nötige Nachbehandlung der Schweißnähte oft ähnlich viel Energie wie der Schweißprozess selbst.
Ein Forscherteam um Dirk Dittrich, Leiter der Gruppe Laserstrahlschweißen am Fraunhofer IWS, hat nun mit Industriepartnern eine Alternative entwickelt. Beim Laser-Mehrlagen-Engspalt-Schweißen (Laser-MES) garantiert die hohe Intensität des Laserstrahls einen räumlich eng begrenzten Energieeintrag an der Schweißstelle, während die umliegenden Bauteilbereiche vergleichsweise kalt bleiben. Die Anzahl der Lagen wird verringert und das Nahtvolumen drastisch reduziert, die Nähte sind deutlich schlanker. „Wir können den Energieeintrag in das Bauteil beim Schweißen – je nach Komponente – um bis zu 80 Prozent senken“, sagt Dittrich, „zudem ist kein Richtprozess mehr erforderlich. Wir erzielen Einsparungen bei Zeit und Kosten und verbessern die CO2-Bilanz der gesamten Fertigungskette deutlich. Bei der Vielzahl von Stahlbaukonstruktionen, die in Deutschland und in der Welt erstellt werden, könnte das zum erheblichen Vorteil werden.“
5G-Netz für Waldbrandbekämpfung
Eine andere Lösung betrifft die direkten Folgen des Klimawandels. So hat die Zahl der Waldbrände in Deutschland deutlich zugenommen. Die bundesweit höchste Waldbrandgefährdung besteht in Brandenburg mit seinen ausgedehnten Kiefernwäldern und geringen Niederschlägen. Jährlich brennt es dort mehrere hundert Mal. Polizei und Feuerwehr müssen bei der Feuerbekämpfung die Aufklärung, Überwachung, Absicherung und Lageerfassung einer Fläche von jeweils mehreren Quadratkilometern bewerkstelligen. Allerdings fehlt in diesen Gebieten oft die notwendige Kommunikationsinfrastruktur, sprich: Es gibt kein oder kein ausreichendes Netz.
Hier setzt das Projekt ALADIN (Advanced Low Altitude Data Information System) an, das vom Bundesministerium für Verkehr und Digitale Infrastruktur gefördert wird: Ein mobiles temporäres 5G-Netz neuester Generation, das überall aufgebaut werden kann. Es ermöglicht der Feuerwehr beispielsweise bei Einsätzen in nicht zugänglichen Gebieten, mithilfe von Drohnen ein Echtzeit-Lagebild der Brandsituation zu erhalten und Löschroboter entsprechend zu steuern. Die von Fraunhofer FOKUS entwickelte Lösung heißt 5G+ Nomadic Node. Die zugehörige Hard- und Softwareausstattung passt in wenige mobile Server-Koffer.
Was zunächst speziell für Waldbrände entwickelt wurde, ist auch an anderer Stelle einsetzbar, etwa zur Kommunikation auf Baustellen oder zur Unterstützung der Organisatoren auf Sport- und Festivalgeländen.
Von der Universität zum Start-up
Es ließen sich noch viele Neuentwicklungen beschreiben, die auf der Messe vorgestellt werden. Im Messeverzeichnis finden sich über 280 Projekte aus Forschung und Entwicklung. Neben KIT und Fraunhofer sind weitere Universitäten entweder mit eigenen Ständen oder als Partner auf Gemeinschaftsständen vertreten. Darunter die Initiative „Forschen für die Zukunft“ der Bundesländer Sachsen-Anhalt und Thüringen. Koordinator ist das Transfer- und Gründerzentrum der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, vorgestellt wird etwa ein Projekt für saubere Fließgewässer unter Beteiligung des Instituts für Strömungstechnik und Thermodynamik sowie des Instituts für Chemie.
Eine vielversprechende Alternative, um zukünftig elektrische Energie zu speichern, stellen Forschende der Universität Jena vor: Organischen Batterien. Die eingesetzten Aktivmaterialien bestehen aus organischen Verbindungen (Polymeren), die potenziell knappe anorganische Elektrodenmaterialien – etwa Lithiumkobaltoxid – ersetzen.
Solche zukunftsweisende universitäre Forschung bildet oft die Basis späterer Start-up-Unternehmen. Einige davon präsentieren sich auf der Messe und ihre Geschichten klingen jeweils ähnlich, etwa so wie bei der Delfa Systems GmbH: „Alles begann während der Promotion der Gründer und entwickelte sich mit Unterstützung des Exist-Forschungstransfers an der Universität des Saarlandes zu einem erfolgreichen Vorhaben.” Delfa Systems wurde erst 2022 gegründet und ist bereits durch Steffen Hau auf der Vortragsbühne in Hannover vertreten. Das Thema: Roboter und Maschinen mit Fingerspitzengefühl und Reflexe durch neue Sensor- und Antriebslösungen. Das Start-up entwickelt Lösungen für die Industrie 4.0 und den Einsatz von Künstlicher Intelligenz. Die jungen Unternehmer erklären ihren Ansatz so: „Wir treiben durch kostengünstige und energieeffiziente Systeme den Ersatz herkömmlicher Technologien voran, um Prozesse ressourcenschonender zu gestalten”. Dieser Satz erfasst den Kern der Hannover Messe 2022. Es geht um die Ablösung bisheriger Technologien durch nachhaltigere Lösungen, die uns helfen, die bestehenden und vielleicht noch kommenden Krisen, erfolgreich zu meistern.
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