Fraunhofer IKTS Blog

Seit diesem Jahr ist das Center for Economics and Management of Technologies (CEM) mit Sitz in Halle (Saale) als neue Struktureinheit am Fraunhofer IKTS integriert. Im Interview geben die Leiterin Dr. Daniela Pufky-Heinrich und der stellvertretende Institutsleiter des Fraunhofer IKTS Prof. Dr. Michael Stelter einen Einblick in die zukünftige Zusammenarbeit.

Das Porträt am Dienstag. Beim #diensttalk geben unsere Mitarbeiter*innen einen kleinen Einblick in ihre Tätigkeiten und verraten, welche Vision sie antreibt. Christiane Schuster beschäftigt sich am IKTS-Standort in Dresden-Klotzsche mit optischen Prüfverfahren und Nanosensorik. Als Leiterin der gleichnamigen Arbeitsgruppe erklärt sie, was dahintersteckt und verrät uns ihre bisherigen persönlichen Forschungs-Highlights. Außerdem erfahren wir, wofür ihr Herz am meisten schlägt.

Am Fraunhofer IKTS forschen Menschen mit dem Antrieb, ganzheitliche ökonomische und nachhaltige Systeme und Dienstleistungen für die Praxis zu entwickeln. Um die komplexen Fragestellungen unserer Zeit zu verstehen und beantworten zu können, schöpfen sie Innovationskraft aus der interdisziplinären Zusammenarbeit.

Kohlenstoff (oder C wie carbon) hat einen schlechten Ruf. Andererseits ist Kohlenstoff allgegenwärtig. Er ist das Atom des Lebens und prägt unsere gesamte Wirtschaft. Kohlenstoff ist Teil unserer DNA, der Lebensmittel, die wir essen und der Produkte, die wir täglich benutzen. Kohlenstoff ist Teil der Kraftstoffe, die unsere Fahrzeuge und Fabriken antreiben oder Wohnungen heizen, und der Materialien, die wir zum Bau unserer Städte verwenden. In der Industrie ist Kohlenstoff Energieträger und Rohstoff zugleich – die gesamte organische Chemie und die nachgelagerten Wertschöpfungen, darunter die Baustoff- und Kunststoffindustrie, basieren auf Kohlenstoff.

Das Porträt am Dienstag. Beim #diensttalk geben unsere Mitarbeiter*innen einen kleinen Einblick in ihre Tätigkeiten und verraten, welche Vision sie antreibt. Diesmal gibt uns Dr. Stefanie Seitz, Transferexpertin am IKTS, Einblicke wie sie innovative Formate für die Weiterbildung, z. B. für die Automobilbranche, entwickelt und die Forschenden dabei unterstützt, ihre Ideen, ihr Wissen und ihre Entwicklungen in die Anwendung zu bringen.

Die Abwasserbehandlung in Klärwerken geschieht konventionell in drei Stufen: Zunächst erfolgt eine mechanische Filtration, anschließend eine biologische Reinigung und zum Abschluss die Nachklärung, in der sich das gereinigte Abwasser vom Klärschlamm absetzt. Zunehmend wird jedoch noch eine vierte Reinigungsstufe eingesetzt, die insbesondere Mikroverunreinigungen wie Pestizide oder Reinigungsmittel aus dem Abwasser entfernen soll. In dieser Reinigungsstufe erfolgt die Ozonung. Das Ozon (O3) reagiert mit organischen Verbindungen, Bakterien, Viren und anderen Schadstoffen im Wasser und bewirkt deren Oxidation oder Zerstörung.

Im Pariser Klimaschutzabkommen hat sich die Weltgemeinschaft zum ersten Mal völkerrechtlich bindend auf ambitionierte Klimaschutzziele verpflichtet. Die beteiligten Staaten wollen gemeinsam die globale Energiewende vorantreiben. Dafür bedarf es Sprungtechnologien, wie sie im Fokus der Entwicklungen am Fraunhofer IKTS stehen – und das seit Gründung des Instituts 1992. Insbesondere für Hochtemperatur-Elektrolyse-basierte Systemketten, die beispielsweise Wasserstoff, synthetische Kraftstoffe und Dünger besonders effizient aus Ökostrom, Luft und Wasser gewinnen, steht jetzt ein Evolutionssprung vom Labor in den internationalen Praxiseinsatz an.

Eine clevere Idee macht sich bezahlt: Das Beschichten von Rührern in Biogasanlagen mit speziell entwickelten Reaktionsharzbetonen kann die Lebensdauer der Rührer verdoppeln. Nun beabsichtigen die Forschenden des Fraunhofer IKTS weitere Märkte mit ihrer extrem verschleißfesten Beschichtungstechnologie zu erobern. Enorm profitieren könnten hierbei Industriebranchen, die aggressive Substrate sowie Suspensionen rühren oder pumpen müssen. Im Blickfeld stehen die chemische Industrie sowie die Lebensmittel- und Bauindustrie. Doch auch für Windkraft-Rotorblätter bahnen sich spannende Lösungen an, die Erosionsschäden mindern könnten.

Das Porträt am Dienstag. Beim #diensttalk geben unsere Mitarbeiter*innen einen kleinen Einblick in ihre Tätigkeiten und verraten, welche Vision sie antreibt. Diesmal gibt Doktorand Micha Philip Fertig Einblicke ins Promovieren bei Fraunhofer und zu seiner Forschung an nachhaltigen Festkörperbatterien.

Die Verkehrswende führt in allen Bereichen der automobilen Wertschöpfung zur Transformation. Betroffen sind sowohl die Energiespeicherung, der Antriebsstrang, das Interieur, die (Lade)Infrastruktur als auch (digitale) Services. Die Batterie als Energiespeicher ist dabei essenziell: Sie sorgt bei batterieelektrischen Fahrzeugen (BEV) für ein gutes Drittel der Herstellungskosten. In Deutschland spielt die Batterietechnologie insofern eine bedeutende Rolle, da unser Land bis zu einem Drittel der in Europa erwarteten Produktionskapazitäten für Batterien bis Ende dieses Jahrzehnts für sich reklamieren will – Schätzungen zufolge mindestens 1300 bis mehr als 2000 GWh.

Der notwendige Moment für den Hochlauf nachhaltiger Batterietechnologien war gestern. In China sind Autos mit Natrium-Akku bereits auf dem Markt. Dabei ist Deutschland selbst nur einen Wimpernschlag von der Einführung entfernt – wenn jetzt die richtigen Weichen gestellt werden. Entscheidender Aspekt dafür sei die kluge Nutzung von regional und technologisch diversifiziertem Know-how. Chancen birgt die »Neue Via Regia der Batterien«.

Das Porträt am Dienstag. Beim #diensttalk geben unsere Mitarbeiter*innen einen kleinen Einblick in ihre Tätigkeiten und verraten, welche Vision sie antreibt. Diesmal folgen wir Dr. Olga Ravkina. Als Wissenschaftlerin und Gruppenleiterin erforscht Olga keramische Materialien und Verfahren zur Gastrennung, wie z. B. eine umweltfreundliche Ammoniaksyntheseroute.

Stephan Heilmann entwickelt Software für Prüfsysteme mit dem Ziel, für größte Betriebssicherheit zu sorgen – und dieser Job führte ihn bereits hoch auf Windkraftanlagen, auf die Schiene, in die Pariser Kanalisation und auf den Meeresgrund.

Verschleißfest, elektrisch oder thermisch isolierend, korrosionsbeständig – die Anforderungen an Bauteiloberflächen sind in vielen Industrieprozessen sehr hoch und erfordern äußerste Präzision. Das Atmosphärische Plasmaspritzen (APS) als eine besonders kostengünstige Form des thermischen Spritzens erfüllt die hohen Ansprüche, die in der Industrie gefragt sind. Die Technologie wird am IKTS seit fast dreißig Jahren verfeinert und für verschiedene keramische Beschichtungen qualifiziert. Nun werden Technologien und Know-how in die Kommerzialisierung überführt.

Hartmetalle feiern nächstes Jahr ihr 100-jähriges Bestehen und sind inzwischen weitgehend optimiert. Dennoch gibt es aktuelle Herausforderungen, die zu neuartigen Entwicklungen und Wettbewerbsvorteilen durch höhere Verschleißfestigkeit und geringere Kosten sowie zur schonenden Ressourcennutzung führen.

Mit speziellen Ultraschallwellen kann man lange Objekte, wie Rohrleitungen, effizient auf Schäden überwachen. Forschende am Fraunhofer IKTS haben nun eine neue Anwendungsmöglichkeit für dieses inzwischen etablierte Verfahren gefunden und mit der gerade ausgegründeten Firma Nicoustic AS an den Markt gebracht: Die Bestimmung von Füllständen in geschlossenen Behältern. Dies ist nicht nur für die Öl- und Gasindustrie von Bedeutung, sondern auch für den Transport und die Lagerung von grünem Wasserstoff oder klimaneutralen Kraftstoffen.

Wie reagieren Nanopartikeloberflächen mit Proteinen im Blut? Wie muss die Oberfläche der Gründungsstrukturen von Offshore-Windkraftanlagen beschaffen sein, damit sich kein Biofilm darauf bildet? Welche Eigenschaften sollte die Oberfläche eines Implantats aufweisen, damit es gut einwächst? Wie kann man maßgeschneiderte Suspensionen für die keramische Fertigung herstellen? Das sind Fragestellungen, mit denen sich die Forschungsgruppe »Pulver- und Suspensionscharakterisierung« am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS auseinandersetzt. Für eine breite Palette an Themengebieten liefert das Team verlässliche Daten. Dabei stellt die langjährige Erfahrung in Analytik und Auswertung ein Alleinstellungsmerkmal dar.

Ausfälle elektronischer Bauteile oder gar kompletter Platinen können teuer werden. Elektronik-, Leistungselektronik- und Sensorsystemhersteller haben nun die Möglichkeit, über funktionskeramische Leuchtstoffe, die am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelt wurden, exakt zu eruieren, wie heiß ein defektes Bauelement geworden ist oder wo der Hotspot auf einer Leiterplatte lag. Das bringt den Herstellern Vorteile bei Reklamationen und kann erheblich zur Qualitätsverbesserung sowie Qualitätssicherung von Produkten beitragen.

Mit Biomassetechnologien und Nährstoffrecycling entwickeln IKTS-Forschende zusammen mit Partnern umweltfreundliche und ertragreiche Torfalternativen für die Speisepilzzucht. Im Fokus steht dabei die effiziente Nutzung regionaler nachwachsender Rohstoffe und biogener Reststoffe.

In Deutschland werden knapp 70 Prozent der industriell genutzten Energie für thermische Prozesse aufgewendet. Insbesondere hinsichtlich der Energieeffizienz, CO₂-Reduktion und Ressourcenschonung gilt es, komplexe Fragestellungen zu beantworten. Die Arbeitsgruppe »Thermische Analyse und Thermophysik« am Fraunhofer IKTS geht thermischen Prozessen seit 30 Jahren auf den Grund. Seither hat sich auch in den Laboren viel getan: Die einfachen Messgeräte mit analoger Datenausgabe für thermoanalytische und thermophysikalische Parameter wurden durch moderne, digitale Anlagen ersetzt. Im Zuge der Digitalisierung werden die Daten zunehmend gekoppelt und für die Modellierung thermischer Prozesse und Bauteileigenschaften nutzbar gemacht.

Ein digitaler Zwilling ist der virtuelle Nachbau eines Objekts, quasi sein Spiegelbild. Es besteht aus Daten und Modellen – und kann das Verhalten des Objekts beschreiben oder vorhersagen. Über virtuelle Tests, Simulationen und Risikoanalysen können Probleme frühzeitig erkannt und der Wartungsaufwand gesenkt werden. Die Daten auf deren Grundlage der Digital Twin arbeitet, müssen im Vorfeld bestimmt werden. An solchen Sensoren, d. h. Messfühlern, die die benötigten Daten messen und bereitstellen, arbeitet das Fraunhofer IKTS.

Um die Ozeane von umweltschädlichen Schwermetallen und Bioziden zu entlasten, entwickeln IKTS-Forscherinnen derzeit in Rostock und Dresden neuartige Keramikbeschichtungen für Schiffe und Meeresplattformen. Diese besonders beständigen und nachhaltigen Schutzschichten sollen Organismen möglichst schonend davon abhalten, die maritimen Strukturen zu überwuchern. Und bei diesen Forschungen geht es oft stürmisch zu.

Ob Edelmetalltinte für ein Medikamenten-Testkit, keramische Siebdruckpaste für Hightech-Sensoren oder Glaslotpaste zum luftdichten Fügen keramischer Brennstoffzellen – für jede Anwendung entwickelt Dr. Sindy Mosch und ihr Team die passende Funktionsschicht. Ein vielseitiger und spannender Job, findet die Werkstoffwissenschaftlerin.

Die Mobilfunk-Technologie ist weniger als 25 Jahre alt und hat bereits mehrere entscheidende Entwicklungsschritte genommen. Für Applikationen wie dem autonomen Fahren werden aber noch viel höhere Datenraten benötigt. Anvisiertes weltweites Ziel ist es, bis 2030 die Datenrate von 20 Gigabit pro Sekunde bei einer Latenz von 1 Millisekunde (5G) auf ganze 1 Terabit pro Sekunde bei lediglich 0,1 Millisekunde Latenz (6G) zu heben. Keramische Substratwerkstoffe und angepasste Dickschichtpasten und Tinten können hierbei einen signifikanten Beitrag leisten.

Um winzigste Verunreinigungen in Bierhefe oder kleinste Erbgut-Fragmente in Blutproben zu finden, werden beispielweise bei der Lebensmittelherstellung oder in medizinischen Laboren Photomultiplier genutzt. Das sind ultrapräzise Detektoren, die Lichteffekte von nur geringer Intensität erfassen und zuverlässig messen können. Damit sich diese optoelektronischen Sensoren künftig noch viel breiter einsetzen lassen, haben das Messtechnik-Unternehmen ProxiVision und Ingenieure vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS gemeinsam additiv gefertigte Photomultiplier entwickelt. Damit wird es möglich sein, die Sensoren schnell und flexibel auf immer neue Einsatzszenarien anzupassen.

Hohe wirtschaftliche und umwelttechnische Vorteile entstehen, wenn Zeolith-Membranen zum Entwässern von organischen Stoffströmen eingesetzt werden. Das haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Pilotversuchen für die indirekte Erdgastrocknung sowie die Alkohol-Kreislaufführung erprobt und validiert. Hiervon können nun viele Anlagenbetreiber profitieren, ob aus der Erdgas-, Pharma-, Chemie- oder Lebensmittelindustrie.

In den vergangenen Jahren konnte aufgrund intensiver Entwicklung der ESK-SIC GmbH und des Fraunhofer IKTS ein neues Recyclingverfahren entwickelt werden, mit dem sich der nicht nutzbare SiC-Ausschuss zu hochwertigem, beinahe 100%igem SiC recyclen lässt. Der Prozess emittiert dabei nur 0,75 Tonnen CO₂ je Tonne SiC und erzeugt einen qualitativ hochwertigen SiC-Ausgangsstoff, der für die Produktion von Komponenten genutzt werden kann.

Piezo-Systemlösungen eignen sich für eine Vielzahl von sensorischen Anwendungen im Bereich der Medizintechnik, der Ultraschallerzeugung oder aber auch bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. Der Herstellungsprozess ist komplex und kann bei ungeeigneter Bauteilauslegung oder Fehlern in der Polungsprozessführung zu einer Zerstörung des Bauteils führen. Aus diesem Grund ist das Fraunhofer IKTS auf verschiedene Prototyping-Verfahren spezialisiert: Der Vorteil: Zeit- und Ressourcenaufwand werden durch computergestützte Methoden auf ein Minimum reduziert, bei gleichzeitiger Optimierung der Produkteigenschaften.

Fast jeder hat sie: individuell bedruckte Kaffeetassen. Im Grafikbereich ist der Siebdruck auf runden Oberflächen fest etabliert, im Elektronikbereich bisher nur eine Nischenanwendung. Dabei verspricht der Rundsiebdruck und auch andere neue Druckverfahren wie das Dispens-Jetting deutliche Effizienzsteigerungen. Mit optimal aufeinander abgestimmten Druckverfahren, Dickschichtpasten und keramischen Substraten drucken Forschende des Fraunhofer IKTS hocheffiziente miniaturisierte Heizer und Sensoren auf Rohre und 3D-gedruckte Bauteile und ermöglichen damit völlig neue Produktmöglichkeiten für vielfältige Anwendungen. Dabei ist das IKTS offen für Unternehmen, die diese Technologien nutzen möchten, um die Funktionalität der eigenen Produkte signifikant zu erweitern.

Mit ihnen werden Wärmepumpen und Presslufthämmer betrieben, Autoreifen mit Luft befüllt, Oberflächen gereinigt oder Speichel abgesaugt – die Einsatzgebiete von Kompressoren sind vielfältig. Ein Kompressor presst Gas mit Hilfe mechanischer Kraft zusammen und erhöht so den Druck. Die dabei entstehende Energie wird bei Abgabe des Drucks freigegeben und kann zum Antrieb von Werkzeugen und Maschinen genutzt werden. Damit sind Kompressoren aus der industriellen Produktion kaum mehr wegzudenken.