Zwölf Leit-Innovationen: Chancen für den Standort Deutschland

»Mit einer Auswahl von zwölf Leit-Innovationen können wir selbstverständlich nicht alle wichtigen Zukunftsgebiete beschreiben«, stellt Prof. Hans-Jörg Bullinger, der Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft klar. »Wir können aber zeigen, wo Chancen für den Standort Deutschland liegen.« Kostensparen allein macht die deutschen Unternehmen nicht wettbewerbsfähig, sie müssen der Konkurrenz aus den Niedriglohnländern Innovationen entgegensetzen – neuartige Produkte, Verfahren und Dienstleistungen. Für ein Hochlohnland wie die Bundesrepublik gibt es keine Alternative. »Wenn wir in Deutschland einen deutlich höheren Lebensstandard haben wollen als Länder wie Brasilien oder Malaysia, dann müssen wir auch etwas herstellen oder etwas leisten, was diese nicht können: Bessere Produkte, für die Verbraucher auch bereit sind, einen höheren Preis zu bezahlen.« Die Leit-Innovationen weisen den Unternehmen Wege zu aussichtsreichen Zukunftsmärkten. Mit dieser Auswahl der Technologietrends startet die Fraunhofer-Gesellschaft ins »Jahr der Technik 2004«.

Die zwölf Leit-Innovationen im Überblick

Ambient Intelligence – elektronische Assistenz

Miniaturisierung der Elektronik und drahtlose Kommunikationstechnik ermöglichen den Durchbruch zur »intelligenten Umgebung« von Arbeitswelt und Freizeit bis zu Verkehr und Gesundheit: Kleinste Elektronikbauteile enthalten Mikrochips, Sensoren und Funkmodule. Sie verwandeln Alltagsgegenstände wie Kaffeemaschine oder Auto von passiven Objekten zu aktiven, kommunikationsfähigen Subjekten und binden sie ins Kommunikationsnetz ein. Die versteckt agierenden modernen Heinzelmännchen unterstützen den Menschen im Berufs- und Privatleben.

Polytronik – Displays aus Kunststoff

Displays von morgen sind hauchdünn, biegsam und haben eine ausgezeichnete Bildqualität. Sie können gerollt und in die Jackentasche gesteckt werden. Diese neue Generation flexibler Displays wird möglich durch LEDs aus organischem Material (OLEDs). Allerdings müssen noch einige technische Probleme gelöst werden. So verliert etwa der blaue Farbstoff zu schnell an Leuchtkraft. Zudem werden neue Produktionsverfahren benötigt, um die organischen Displays kostengünstig fertigen zu können. Damit das Display flexibel ist, müssen auch die dahinter liegenden elektronischen Schaltungen aus Kunststoff hergestellt werden. Der Vorteil der biegsamen Kunststoff-Chips: Sie werden im Rolle-zu-Rolle-Verfahren produziert und eröffnen damit die Chance zu einer Low-cost-Elektronik.

Digitale Medizin

Moderne Verfahren der medizinischen Bildgebung unterstützen den Arzt bei der Diagnose und Therapie. Informations- und Kommunikationstechnologien ermöglichen präoperative Planung und präzise gesteuerte Eingriffe. Der Chirurg kann die Operation vorab mithilfe von Computersimulationen trainieren. Während der realen Operation unterstützt eine Navigationssoftware den Arzt. Sie hilft ihm, seine Instrumente durch das Gehirn zu steuern, ohne empfindliche Regionen zu verletzen.

Beschleunigte Medikamentenentwicklung

Molekularbiologische Methoden helfen Wirksamkeit und Toxizität von neu erforschten Arzneien früh zu erkennen. Das senkt die Kosten und verkürzt die Entwicklungszeit. Fraunhofer-Forscher setzen dazu die Gen- und Proteinexpressionsanalyse ein. Mit ihr kann man feststellen, wie eine Substanz die Genaktivität ändert. So lassen sich Rückschlüsse auf mögliche Nebenwirkungen ziehen. Das Verfahren eröffnet sogar den Weg zur schnellen Entwicklung maßgeschneiderter Medikamente. Denn jeder Mensch reagiert spezifisch auf Arzneien. Die Wissenschaftler wollen nun herausfinden, wie der einzelne Mensch Arzneistoffe verarbeitet, welche Substanzen helfen oder schaden. Mithilfe dieser Daten können die Medikamente dann auf Patienten mit einem bestimmten Genprofil zugeschnitten werden.

Intuitive Mensch-Maschine-Kooperation

Die Interaktion des Menschen mit dem Rechner über Standardoberflächen, Tastatur und Maus wird in Zukunft ersetzt durch intuitive bedienbare Benutzerschnittstellen. Heute gilt: Bevor man sein neues Handy, den DVD-Recorder oder die Digitalkamera in Betrieb nehmen kann, steht meist erst stundenlanges Studieren der Bedienungsanleitungen auf dem Programm. Das soll sich ändern. Neue intuitive Mensch-Maschine-Schnittstellen ermöglichen, dass Video-Recorder aufs Wort gehorchen, Computer Wünsche von den Augen ablesen und Roboter auf Fingerzeig reagieren. Der Mensch soll Maschinen künftig einfach über Sprache, Mimik und Gestik bedienen.

Integrative Produktion – schneller zum Produkt

Wer sich heute auf dem Markt behaupten will, muss seine Produkte nicht nur immer schneller erneuern, sondern sie auch den individuellen Wünschen der Kunden anpassen können. Gefordert sind extrem schnelle und flexible Entwicklungs- und Produktionsprozesse. Und die sind nur durch die vollständige Digitalisierung der Prozesse und die informationstechnische Vernetzung der Systeme zu erreichen. Ein Beispiel: die integrierte virtuelle Produktentstehung. Sie verzahnt alle Prozesse von der Idee eines Produkts bis zur Montage. Die einzelnen Bauteile und Prozesse werden dabei virtuell im Rechner abgebildet. Mithilfe von Rapid-Protoyping können innerhalb von wenigen Stunden aus den Computermodellen erste Prototypen gefertigt werden. Rapid Tooling und Rapid Manufacturing ermöglichen sogar die schnelle Herstellung von Kleinserien und Einzelanfertigungen.

Erfolgsfaktor Logistik

Moderne Logistik steigert die Effizienz und senkt die Kosten für Unternehmen im innerbetrieblichen Materialfluss, in den Austauschprozessen von Gütern und Informationen über Unternehmensgrenzen hinweg. Eine CD bei Amazon, die Winterjacke vom Otto-Versand, das Buch von Libri.de – Kunden bestellen über das Internet immer kleinere und individuellere Warenpakete. Das stellt die Logistikbranche vor große Herausforderungen. Gefragt sind neue Konzepte wie der Tower24, ein modernes Abhollager für Pakete und Lebensmittel. Durch eine optimierte Waren- und Informationsverteilung sind erhebliche Kosteneinsparungen möglich. Hier helfen Globale Positionssysteme und RFID-Chips (Radio Frequenz Identification). Sie ermöglichen es, die Waren auf ihrem Weg von der Herstellung bis zum Recycling lückenlos zu verfolgen. Mithilfe von Simulationstechnologien kann der Materialfluss im Computer optimiert werden.

Adaptive Strukturen

Nach dem Vorbild der Natur entwickeln Forscher Bauteile, die sich mithilfe von integrierten Sensoren, Aktuatoren und Regelungstechnik selbstständig an ihre Umwelt anpassen. Diese adaptiven Strukturen können Schwingungen dämpfen und Lärm reduzieren. Eine Schlüsselkomponente sind Piezokeramiken. Sie setzen Druck in elektrische Signale um. Wird umgekehrt eine elektrische Ladung angelegt, können sich die Fasern dehnen oder zusammenziehen. Diese Eigenschaften lassen sich nutzen, um Lärm erzeugende Vibrationen zu reduzieren: Das Material spürt störende Schwingungen, beispielsweise in Flug- und Fahrzeugen, und kann sie unmittelbar dämpfen. Prototypen solcher adaptiver Strukturen mindern bereits den Lärm im Auto und reduzieren die Schwingungen im ICE.

Simulierte Realität – Prozesse und Produkte rechnen

Maßgeschneiderte Werkstoffe für spezielle Anforderungen lassen sich künftig mithilfe der Simulation am Rechner entwerfen. Aufwändige und teure Versuche an realen Testmustern können dann deutlich reduziert werden. Um aber derart komplexe Prozesse berechnen zu können, bedarf es extrem schneller Supercomputer sowie dem Grid-Computing, bei dem mehrere vernetzte Rechner ihre geballte Rechnerleistung für die Simulation zur Verfügung stellen. Weitere Voraussetzung ist eine neue Form der interdisziplinären Werkstoffforschung. Die Wissenschaftler entwickeln die notwendigen Modelle und Simulationswerkzeuge.

Maßgeschneidertes Licht – Universelles Werkzeug der Photonik

Systeme zur kontrollierten Erzeugung, Ausbreitung und Nutzung von Licht führen zu neuartigen Anwendungen in der Materialbearbeitung, Informationsübertragung und Mikroelektronik. Augenoperationen mit dem Laser, Transport von Daten über Glasfaserkabel, LEDs in Displays, präzises Schneiden, Bohren und Schweißen von Materialien – Photonik ist schon heute nicht mehr aus unserem Alltag wegzudenken. Das Potenzial von Licht ist noch lange nicht ausgeschöpft. Wissenschaftler wollen nun die Grundlagen schaffen, um maßgeschneidertes Licht für die unterschiedlichsten Anwendungen zu erzeugen, formen, führen und es in der gewünschten Weise auf Materialien einwirken zu lassen.

Extremes Ultraviolett für die Nanowelt

Hohe Lichtintensität und Strahlformungsoptiken im extremen Ultraviolettbereich ermöglichen neuartige Anwendungen in Mikroelektronik, Life Sciences und Produktion. Die Halbleiterindustrie steht vor einem tief greifenden Technologiewandel – von der klassischen optischen Lithographie zu einer neuen Belichtungstechnik. Der Grund: Mit der bisherigen Belichtungstechnik lassen sich Strukturen bis zu 90 Nanometern auf dem Mikrochip erzeugen. Eine weitere Verkleinerung ist nicht möglich. EUV-Strahlung gilt als Favorit für die nächste Lithographiegeneration. Damit könnten Chipstrukturen von 35 Nanometern erzeugt werden. Große Chiphersteller wie Intel, AMD, Infineon und Philips setzen auf diese Technologie. Forscher arbeiten an einem Baukastensystem von EUV-Quellen und -Optiken.

Maßgeschneiderte Energieversorgung

Von der Energieversorgung portabler IuK-Engeräte bis zum gebäudeintegrierten Blockheizkraftwerk sind angepasste Lösungen gefragt, die mit höchsten Wirkungsgraden arbeiten. Energie wird in Zukunft dezentral erzeugt: Großkraftwerke weichen nach und nach einem fein verästelten Netz von Blockheizkraftwerken, Windkraftgeneratoren, Solaranlagen und Brennstoffzellen. Schon bald werden Haushalte nicht mehr nur Wärme vor Ort produzieren, sondern auch Strom herstellen und ins Netz einspeisen. Maßgeschneiderte Hausversorgungssysteme sorgen künftig für ein optimales Zusammenspiel zwischen hoch effizientem Umgang mit Energie, dem Energiebedarf und der abgestimmten Gewinnung von Strom und Wärme. Eine weitere Herausforderung ist die mobile Energieversorgung: Handy, Laptop und Co. werden künftig über Brennstoffzellen und flexible Solarzellen mit Strom versorgt.