Fraunhofer IKTS Blog

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.

Rosa Licht erstrahlt in der Technikumshalle des Fraunhofer IKTS in Dresden. Da wo sonst Anlagen zur Wasserfiltration, Brennstoffzellen oder 3D-Druckmaschinen stehen, wachsen seit kurzem kleine Pflanzen auf mehreren Etagen. »Mit unserem Vertical Farming-Teststand erproben wir, wie wir mit keramischen Technologien den Pflanzenanbau – speziell in kontrollierten Anbausystemen wie Gewächshäusern – nachhaltiger und ressourceneffizienter gestalten können.«, erklärt Nico Domurath, Pflanzenbau-Experte am Fraunhofer IKTS. »Wir wollen die drei großen Themen Ernährung, Wasser und Energie ganzheitlich denken und durch die intelligente Kopplung von Prozessen Synergien heben, Kreisläufe schließen und Reststoffe optimal nutzen.«, so Domurath weiter. Warum das wichtig ist?

Richtig eingesetzt, können mit modernen Membrantechnologien belastete Industrieabwässer besser aufbereitet werden, als es allein mit klassischen Klärtechniken möglich ist. An der Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Wirtschaft agiert unser Applikationszentrum Membrantechnologie in Schmalkalden. Auf rund 370 m² betreibt das Fraunhofer IKTS mehr als 20 Labor- und Pilotanlagen, die für die spezifischen Einsatzszenarien eigens konstruiert wurden. Hier werden neue Membranprototypen charakterisiert, effektive Reinigungsstrategien entwickelt sowie Machbarkeitsstudien und Feldversuche für Industriekunden und Forschungspartner durchgeführt.

Mit den richtigen Reinigungs- und Aufbereitungstechnologien können Abwässer eine wertvolle Ressource darstellen: ob für thermische Energie, strategische Rohstoffe oder aufbereitet als wertvolles Trink- oder Brauchwasser. Wie das funktionieren kann, zeigen wir in unseren Applikationszentren für elektrochemische Wasserbehandlung. Verteilt auf fünf Standorte entwickelt, analysiert und erprobt das Fraunhofer IKTS neue Wege hin zu sauberem Wasser und geschlossenen Stoffkreisläufen.

Im Kampf um Leben und Tod zählt jede Minute. Werden Patienten direkt vor Ort, zum Beispiel nach einem Unfall, behandelt, erhöhen sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen u. a. mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. So können bereits am Unfallort notwenige Behandlungsschritte eingeleitet werden.

Marc Lincke entwickelt im Wachstumskern abonocare® neue Technologien und Konzepte für ein nachhaltiges Nährstoffrecycling aus organischen Abfällen. Wie und warum erfahren Sie in diesem Beitrag.

Wie versorgen wir eine wachsende Menschheit auf unserem Planeten nachhaltig mit Nahrungsmitteln, Energie und Wasser? Wie sinnvoll sind dafür dezentrale, regionale Lösungen? Auf derartige Fragen will die Vision einer Zukunftsfabrik in der Lausitz Antworten geben. Wie genau, erklären unsere Experten Prof. Michael Stelter und Dr. Burkhardt Faßauer speziell für ihre wasserwirtschaftlichen Konzepte im Interview.

Die globale Schifffahrt, zumeist mit toxischem Schweröl unterwegs, ist ein bisher wenig beachteter Umweltsünder. Am IKTS werden mit Stakeholdern der Hochseeschifffahrt alternative, umweltfreundliche Schiffsantriebe erforscht.

Auch wenn die Erde der »blaue Planet« genannt wird: nur etwa 2,5% des Wassers ist Süßwasser. Und auch davon ist nur etwa ein Drittel als Trinkwasser nutzbar. Die Ressource ist knapp und ungleich verteilt: Mehr als 2 Milliarden Menschen leben weltweit zu Hause ohne Zugang zu sauberem Wasser. Um auf diese Wasserkrise aufmerksam zu machen, richten die Vereinten Nationen jährlich am 22. März den Weltwassertag aus, begleitet von Kampagnen und Aktionen staatlicher und nichtstaatlicher Akteure. Wir haben mit Dr. Patrick Bräutigam, Leiter der Gruppe »Reaktionstechnik Wasser« am IKTS sowie Leiter der Gruppe »Wassertechnologie« an der Friedrich-Schiller-Universität, darüber gesprochen, wie Forschungseinrichtungen sich in der Wasserkrise einbringen können, warum man die Ressource auch in Industrieländern schützen muss und welche Technologien dafür zukünftig relevant werden.

Die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wuchs in den vergangenen Jahren enorm. Experten schätzen, dass der Energiespeicherbedarf basierend auf der Lithium-Ionen-Technologie bis 2030 um fast das Siebenfache gegenüber 2020 steigen wird. Insbesondere der Automobilsektor wird dazu wesentlich beitragen. Die steigende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien führt dazu, dass ge-rade weltweit 115 »Gigafabriken« mit mehreren Gigawattstunden Produktionskapazität aufgebaut werden. Es stellt sich daher die Frage, wie der Rohstoffbedarf für diese riesigen Mengen langfristig gedeckt wer-den kann...

Sicherlich haben auch Sie sich schon gefragt, ob Batterien für die E-Mobilität auch wirklich sicher sind; vor allem, wenn sie sich in Ihrem eigenen Auto befinden. Um die Qualitätssicherung zukünftig schneller und effizienter durchzuführen, entwickeln wir Röntgen- und Thermographiesysteme mit denen einzelne Batteriekomponenten bereits während der Herstellung geprüft werden können.