Vernetzte Maschinen, die miteinander kommunizieren. Roboter, die Reparaturen durchführen. Die automatisierte Wartung von Anlagen. In den Fabrikhallen ist die nächste industrielle Revolution, die Industrie 4.0, in vollem Gange. Sie basiert maßgeblich auf einer detaillierten Erfassung einer Vielzahl von Betriebsdaten durch intelligente Komponenten und Sensoren. Edge-Computing-Technologien filtern und analysieren die Daten noch vor Ort. Die vorverarbeiteten Daten werden dann an das Internet der Dinge übertragen. Dort generieren Analyseplattformen daraus die unterschiedlichsten Informationen für den Betrieb der Fabrik oder die Organisation der Materialströme.

Daten als Basis neuer Services

Durch die Zusammenführung von Daten und dem Einsatz Künstlicher Intelligenz werden völlig neue Services und Geschäftsmodelle ermöglicht. „Ob Fahrzeugbau, Maschinenbau oder Elektronik. Denn die Industrie 4.0 sorgt dafür, dass traditionelle Geschäftsmodelle in allen Branchen durch neue Technologien ergänzt, optimiert oder sogar ganz ersetzt werden“, sagt Achim Berg, Präsident des deutschen Branchenverbandes Bitkom. „Die Unternehmen können ihre Produkte auf ganz neue Weise anbieten. Dadurch werden sie nicht nur serviceorientierter, sie bleiben vor allem international wettbewerbsfähig.“

So ermöglicht die Digitalisierung neue Services rund um die Wartung und Instandhaltung von Maschinen und Anlagen. Der Hersteller hat dabei Zugriff auf die erfassten Betriebsdaten seiner beim Kunden aufgestellten Maschine. Durch eine permanente Auswertung dieser Daten, kann er zukünftige Schäden im Produktionsprozess vorhersagen und rechtzeitig Wartungen und Reparaturen durchführen. Der Kunde profitiert von minimierten Ausfallzeiten und einer höheren Produktivität. Dieser Service hat somit einen reellen Wert, für den der Kunde entsprechend bezahlt. Damit kann der Hersteller nicht nur durch den Verkauf seiner Maschine Geld verdienen, sondern zusätzlich auch mit seinem Service.

Was sind Pay-per-Use-Modelle?

Noch einen Schritt weiter gehen sogenannte Pay-per-Use-Modelle (auch Equipment-as-a-service oder Machine-as-a-service). Doch was sind Pay-per-Use-Modelle? Dabei verkauft der Hersteller sein Produkt nicht, sondern stellt eine Infrastruktur, Anlage oder Maschine als einen Service gegen ein Entgelt zur Verfügung. Die Basis für dieses Entgelt könnte zum Beispiel die Zahl der auf der Maschine produzierten Produkte oder die Betriebsstunden sein. Dieses Geschäftsmodell bietet, richtig umgesetzt, sowohl für den Kunden als auch für den Hersteller Vorteile.

Bewährt in der Praxis

Das britische Unternehmen Rolls-Royce bietet seine Flugzeugtriebwerke schon seit mehr als 20 Jahren auch im Rahmen sogenannter „Power-by-the-hour“-Serviceverträge an. Dabei werden die Pay-per-Use-Gebühren auf Basis der geflogenen Stunden berechnet. Es übernimmt dabei alle erforderlichen Wartungsarbeiten und bietet vorbeugende Instandhaltungsservices an. Dazu sind die Triebwerke vernetzt und senden die Maschinendaten zur Überwachung an vier Rolls-Royce-Zentren. Die Erfahrungen von Rolls-Royce mit diesem Modell sind bemerkenswert. Auch dank der langen Lebensdauer von Flugzeugtriebwerken sind die Einnahmen aus dem Service rund viermal so hoch wie die aus dem Verkauf.

Darüber hinaus zieht Rolls-Royce als Maschinenhersteller zusätzlichen Nutzen aus dem Service-Angebot. Zum einen lernt das Unternehmen dadurch, dass es die Inspektion der Triebwerke selbst durchführt und den Triebwerkszustand kontinuierlich überwacht. Es lernt so seine Produkte und deren eventuelle Schwachstellen immer besser kennen und verstehen. Das ermöglicht die Optimierung der Lebensdauer, sorgt für eine effizientere Wartung und reduziert die Ausfallzeiten beim Kunden.

Ein anderes Beispiel ist Heidelberger Druckmaschinen. Das Unternehmen hat ein Geschäftsmodell realisiert, bei dem nicht wie bisher an der Lieferung der Maschinen-Komponenten verdient wird. Sondern an der mit seinen Anlagen bedruckten Anzahl von Papierbögen. Dazu werden alle Betriebsdaten in einer Analyseplattform erfasst und ausgewertet. Verschleiß und Wartung werden frühzeitig identifiziert und ermöglichen eine vorausschauende Serviceplanung. Dabei werden nicht nur Daten einzelner Maschinen bei einem Kunden herangezogen, sondern auf alle am System angeschlossenen Maschinen zurückgegriffen. So entsteht eine höhere Präzision der Analysen und damit eine höhere Verfügbarkeit der Maschinen.

Boomender Markt

Noch ist der Markt für derartige Pay-per-use-Modelle übersichtlich. Laut einer Studie der Marktanalysten von IoT-Analytics hatte er in 2019 ein Volumen von 21,9 Milliarden Dollar. Nur ein geringer Teil des weltweiten Ausrüstungsmarktes wird demnach als ein Service verkauft. Unternehmen werden in Zukunft zunehmend in Ergebnisse investieren, weniger in Vermögenswerte. So soll der Markt bis zum Jahr 2025 rasant auf 131 Milliarden Dollar anwachsen. „Wir sehen ganz deutlich, dass die eigentliche Revolution von Industrie 4.0 nicht allein in der Produktion, sondern bei den Geschäftsmodellen stattfindet“, unterstreicht Bitkom-Präsident Berg. „Daher sollte jedes Unternehmen sein Geschäftsmodell auf den digitalen Prüfstand stellen.“

Vorteile von Pay-per-Use-Modellen:

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Es sprechen gleich mehrere Gründe dafür, aus dem Zuhause ein Smart Home zu machen. Für die meisten Nutzer ist das Plus an Komfort und Lebensqualität das Hauptkriterium dafür, in einem intelligenten Gebäude zu leben. Das ergab eine Umfrage des Digitalverbandes Bitkom in 2019. Mehr als die Hälfte der Befragten wollen vor allem ihre vier Wände sicherer machen. Zum Beispiel wollen sie dies durch intelligente Alarmsysteme, smarte Rauchmelder oder eine Hightech-Videoüberwachung erreichen.

Gerade im Rahmen der aktuellen Diskussion über den Klimawandel wird aber immer wichtiger, dass Smart-Home-Technologien ein wichtiger Baustein für ein energieeffizienteres Leben sind. Scheint die Sonne, regelt sich die Heizung automatisch herunter. Verlassen alle Bewohner das Haus, schaltet das System in den Energiesparmodus.

Intelligente Gebäude bieten ein sicheres Zuhause auch im Alter

Länger und selbstbestimmt zuhause zu leben. Das nennen zwar aktuell noch relativ wenige Menschen als Grund dafür, Smart-Home-Technologien zu nutzen, doch die Bedeutung dieses Themas wächst. „Smart-Home-Anwendungen sind nicht nur etwas für Jüngere. Auch für Senioren bietet das Smart Home viele Vorteile und kann helfen, damit jeder möglichst lange in seinen eigenen vier Wänden leben kann“, betont Dr. Sebastian Klöß, Bitkom-Referent für Consumer Technology.

So erkennt eine sensorgesteuerte Orientierungsbeleuchtung automatisch, wenn jemand nachts aus dem Bett aufsteht, um beispielsweise zur Toilette zu gehen. Was Stürze im Dunkeln vermeidet. Sollte der Bewohner doch einmal gestürzt und hilflos sein, kann das intelligente Gebäude Angehörige oder Rettungskräfte benachrichtigen. Bevor ein Brand ausbricht, schaltet ein smarter Herd die Herdplatte aus, wenn sie nach dem Kochen versehentlich angelassen wurde. Türsensoren überwachen, ob jemand die Wohnung zu einer ungewöhnlichen Zeit verlässt oder generell die Öffnungszeiten einer Wohnungstür. „All diese Smart-Home-Funktionen helfen Älteren in ihrem Zuhause, genauso aber auch Singles, Paaren und Familien mit Kindern“, so Klöß.

Hausgeräte per Sprache steuern

Dabei wird immer öfters die Sprache zur Bedienung des Smart Homes eingesetzt. Laut einer Bitkom-Umfrage vom Mai 2020 steuern rund dreiviertel der Nutzer von Alexa, Siri & Co. ihre Haushaltsgeräte mit Sprachassistenten. Und zwar unterstützen die intelligenten Geräte zum Beispiel die Beleuchtung, die Heizung oder Haushaltsroboter. „Intelligente Sprachassistenten entwickeln sich rasant und sind in immer mehr Geräten verfügbar. Von der Dunstabzugshaube bis zum Auto“, sagt Bitkom-Experte Klöß. „Eine Gerätesteuerung per Stimme wird künftig so selbstverständlich sein wie das Knöpfedrücken oder Wischen auf einem Display.“

Energie sparen, Emissionen vermeiden

Doch smarte Technologien sind nicht nur beim privaten Wohnen sinnvoll. Gerade in Gewerbebauten können sie die Effizienz deutlich erhöhen und erheblich zur Ressourcenschonung beitragen, wie Abel Samaniego, Gründer und CEO von Dabbel erklärt: „Eine optimale Steuerung der Gebäudesteuerungssysteme ist heute unerlässlich, da der Gebäudesektor 40 Prozent des Energieverbrauchs und 39 Prozent der CO₂-Emissionen in Europa ausmacht. Mehr als 50 Prozent dieser Energie wird ineffizient genutzt und mehr als 28 Prozent davon sind auf menschliches Versagen oder falsche Kontrollentscheidungen zurückzuführen.“

Das Unternehmen hat ein KI-System entwickelt, dass auf die vorhandene Gebäudeleittechnik aufsetzt und bisher manuell gesteuerte Ressourcen deutlich effizienter verwaltet. Durch die autonome Kontrolle sollen der Energieverbrauch um 40 Prozent gesenkt werden und sich menschliche Fehler bei der Bedienung der Gebäudetechnik um bis zu 80 Prozent reduzieren lassen.

Intelligente Bürogebäude

Doch intelligente Systeme können noch viel mehr. So verbindet eine Cloud-Plattform der Firma Edge Technologies alle technischen Systeme des nordamerikanischen Hauptquartiers von Unilever. Das 325.000 qm große Gebäude in Englewood Cliffs, New Jersey, hat eine vollständige Modernisierung aller Gebäudesysteme hinter sich. Nun ist es mit intelligenten Gebäudetechnologien ausgestattet.

Es sind Tausende von Sensoren für das Klimasystem, die Zutrittskontrolle und die Aufzüge installiert. Und auch moderne LED-Leuchten mit Sensoren für Tageslicht und Bewegung sind eingebaut. Internet of Things Systeme ermöglichen es dem Gebäude, aus dem Verhalten der Bewohner zu lernen und sich an ihre Präferenzen zu erinnern. So konnte zum einen der Energieverbrauch des Gebäudes um 50 Prozent gesenkt werden. Zum anderen gibt das System den Mitarbeitern die Möglichkeit, Arbeitsplätze zu reservieren, eine gegenseitige Lokalisierung und ihre persönliche Klimaanlage anzupassen. Und das alles über eine einzige App auf ihrem Smartphone.

Eines der nachhaltigsten und intelligentesten Gebäude weltweit ist The Edge in Amsterdam. Es misst kontinuierlich Belegung, Bewegungen, Beleuchtungsstärke, Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Darauf basierend werden die Gebäudesysteme, einschließlich LED-Beleuchtung mit Ethernet-Stromversorgung, so gesteuert, dass eine maximale Effizienz erreicht wird. Zur Steuerung der Heizungs- und Klimaanlagen erkennt das Gebäude zudem die Nummernschilder der Mitarbeiter, die gerade in die Tiefgarage gefahren sind. Erst dann startet die Klimatisierung des entsprechenden Arbeitsplatzes nach den Wünschen des Mitarbeiters. Selbst die Kantine profitiert von dem intelligenten Gebäude. Das System sagt auf Basis von in der Vergangenheit erfassten Daten sowie unter Zuhilfenahme von Verkehrs- und Wetterinformationen, wie gut die Kantine besucht sein wird. Was  die Verschwendung von Lebensmitteln vermeidet.

So leisten vernetzte Infrastrukturen von intelligenten Gebäuden und einzelnen Wohneinheiten einen wesentlichen Beitrag. Nicht nur für eine erfolgreiche Energiewende, sondern auch für einen verantwortungsvollen Umgang mit Ressourcen.

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Städte bedecken lediglich zwei Prozent der Landmasse unserer Erde, aber in ihnen konzentriert sich der größte Teil der Weltbevölkerung. Und auch der Wirtschaft – mit zunehmender Tendenz. Im Jahr 2050, so die Prognose der Weltbank, werden 70 Prozent der Weltbevölkerung in Städten leben. Das erfordert neue Lösungen für die Städte, um ihren Bürgern Lebensqualität, Nachhaltigkeit und attraktive Infrastrukturen für die Wirtschaft auch in Zukunft bieten zu können. Die Lösung hierfür ist die Smart City.

Urbanisierung mit einer Smart City positiv gestalten

Dabei handelt es sich nicht um eine Technologie oder ein bestimmtes Konzept, sondern vielmehr um eine Idee. Eine Smart City ist eine Stadt, die, unterstützt durch Digitalisierung und Telekommunikation, ihre Netzwerke und Dienstleistungen effizienter gestaltet. Dadurch trägt sie zu einer nachhaltigen und klimafreundlichen Zukunft der Bürger und Unternehmen bei. Durch eine Smart City wird die Lebensqualität der Bürger und ihre gesellschaftliche Teilhabe verbessert.

Ein wichtiges Ziel ist auch die Verringerung der Nutzung endlicher Ressourcen und die Etablierung erneuerbarer Energien. Zur Smart City gehört aber auch die Schaffung einer transparenten Entscheidungsstruktur für kommunale Prozesse. Zu guter Letzt soll auch die Wettbewerbsfähigkeit des Wirtschaftsstandorts dauerhaft erhalten oder sogar erhöht werden. Das große übergeordnete Ziel lautet aber vor allem, die Überlebens-, Anpassungs- und Widerstandsfähigkeit der Stadt zu stärken. Negative Folgen der Urbanisierung sollen möglichst gemindert oder sogar ganz vermieden werden.

Ein Bündel an Maßnahmen

Dass betrifft eine Vielzahl verschiedener Anwendungsbereiche, die durch technologische Fortschritte und effektiven Einsatz einen besseren Service für die Bürger ermöglichen. Dazu gehören Lösungen für die unterschiedlichsten Herausforderungen. Wie beispielsweise den effizienten Transport, intelligente Gebäude und Wohnungen, optimale Energienutzung und bessere Verwaltungsdienste. Entsprechend unterschiedlich sind Smart-City-Lösungen. Busse fahren nur bei Bedarf. Sensoren im Asphalt registrieren die Verkehrsströme, Algorithmen trimmen den Verkehrsfluss auf Effizienz, intelligente Kreuzungen minimieren das Unfallrisiko. Die Straßenleuchten schalten nachts in den Energiesparmodus, wenn weder Fußgänger noch Autos in Sicht sind.

Hamburg ist laut dem Smart-City-Index des Digitalverbands Bitkom die smarteste Stadt Deutschlands. Auch sie setzt auf verschiedene Handlungsfelder, um die Stadt smarter zu machen. Matthias Wieckmann, Leiter Digitalstrategien der Stadt Hamburg: „Wer über Maßnahmen für eine Smart City nachdenkt, sollte am besten mit begrenzten Anwendungsfällen beginnen, damit diese vor der Ausweitung getestet werden können und ihre Außenwirkung und Finanzierung geklärt ist. Die Stadtverwaltung sollte gerade in der Anfangsphase kleinere Lösungen initiieren, die den Weg zu ebnen helfen, anstatt mit einer großen, übergreifenden Lösung zu beginnen.“

So werden alleine im Bereich intelligenter Verkehrssysteme rund 60 Projekte umgesetzt, die beispielsweise autonomen Busverkehr, intelligentes Parken oder die Baustellenkoordinierung beinhalten. Den öffentlichen Nahverkehr mit U- und S-Bahnen, Bussen und Taxen, ergänzen Angebote wie Carsharing oder Leihräder. Hamburg baut zudem seine Ampelanlagen um, damit sie mit den Fahrzeugen kommunizieren können. In einem „Urban Data Hub“ werden Daten aus Bereichen wie Verkehr, Umwelt, Soziales oder Wirtschaft auf einer online zugänglichen Datenplattform verknüpft. Dadurch ist eine echtzeitfähige Auswertung möglich und innovative digitale Dienste für Zivilgesellschaft, Wirtschaft und Verwaltung können konzipiert werden. Die Basis für die Vernetzung bildet ein 5G-Netz, dessen hoher Durchsatz, Kapazität und schnelle Reaktionszeit viele dieser Dienste erst ermöglicht.

Innerhalb einer Smart City Bürger, Regierung und Unternehmen verbinden

Bei der Entwicklung ist die Zusammenarbeit zwischen Interessensvertretern wie lokalen Regierungsbeamten, Bürgern und Dritten wie Unternehmen oder Instituten entscheidend. Daher hat die Stadt Perth eine Plattform geschaffen, die den Austausch von Ideen und Daten zwischen Bürgern und Interessengruppen ermöglicht. Ziel dabei ist es, die Lebensqualität, Nachhaltigkeit und Arbeitsbedingungen in Perth zu verbessern. So sollen in einer Reihe kleinerer Projekte neue Technologien entwickelt und verbreitet werden. Dazu gehören etwa eine intelligente Bewässerung, Videoanalysen von Überwachungskameras, ein öffentliches LoRaWAN oder auch der Test von smarten Straßenleuchten.

Für was steht LoRaWAN?

In Europa ist Litauen ein Vorreiter in Sachen Digitalisierung und e-Governance. Über 90 Prozent der Behördengänge lassen sich online erledigen. Ein Unternehmen kann in drei Tagen gegründet werden. Der litauische Botschafter in Deutschland, Darius Jonas Semaška, erklärt: „Moderne Gesellschaften sollten heutzutage keine Angst mehr vor der Erschließung neuester Technologien haben. Die Fortentwicklung der digitalen Lösungsansätze bedeutet für Litauen vor allem die Vereinfachung des täglichen Lebens.“

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Mit der zunehmenden Verbreitung von Smartphones und Internetkonnektivität verändert sich auch das Gesundheitssystem. Mobile-Health-Technologien (mHealth) werden zunehmend von Ärzten und Patienten akzeptiert. Insbesondere bei der Fernbetreuung von Patienten können Wearables Daten in Echtzeit erfassen, die Genauigkeit erhöhen und die Entscheidungsfindung vereinfachen.

Wie zum Beispiel Probeat, ein tragbares, nicht-invasives Glukosemessgerät von Nemaura Medical. Mit Hilfe von KI-Algorithmen gibt das Gerät dem Nutzer Feedback, um seinen Blutzuckerspiegel aktiv zu beeinflussen. Über die App können zudem auch Daten aus tragbaren Fitnessgeräten von Drittanbietern eingebunden werden. So dass die Erfassung der verschiedenen relevanten Faktoren noch genauer und umfangreicher erfolgen kann.

Was macht das Produkt Probeat?

Auch Consumer-Produkte wie Wearables verfügen über immer ausgefeiltere physiologische Messtechniken. So hat eine Studie der Stanford Universität gezeigt, dass eine mobile App, die die Daten eines Herzfrequenz-Pulssensors einer Apple Watch nutzt, Vorhofflimmern sicher erkennen kann. „Die Ergebnisse der Apple Heart Study unterstreichen die potenzielle Rolle, die innovative digitale Technologie bei der Verbesserung der prädiktiven und präventiven Gesundheitsfürsorge spielen kann“, meint Lloyd Minor, Dekan der Stanford School of Medicine. „Vorhofflimmern ist erst der Anfang, denn diese Studie öffnet die Tür für weitere Forschungen über tragbare Technologien – ein zentrales Ziel der individuellen Gesundheitsvorsorge.“

Dabei profitieren nicht nur Menschen in den reichen Industrienationen von dieser Entwicklung. „Fast alles, was wir jetzt tun, ist digital“, beton zum Beispiel Dr. Deborah Maufi, Projektmanagerin bei der Health[e]Foundation. „Sogar in den Entwicklungsländern: Die Wirtschaft ist zwar sehr schwach, aber die Menschen haben immer noch Zugang zu Smartphones.“

Maufi entwickelte die App MyHealth@Hand, mithilfe derer schwangere Frauen in Afrika mit Gesundheitspersonal in Kontakt treten können. „Sie können Gesundheitsdaten austauschen, und die Frau hat Zugang zu Gesundheitsinformationen über die Schwangerschaft und das Neugeborene“, so Dr. Maufi. In den Entwicklungsländern fordern Schwangerschaft und Geburt einen hohen Tribut. Weltweit sterben jedes Jahr fast 380.000 Frauen aufgrund ihrer Unwissenheit und falscher Informationen an vermeidbaren Ursachen im Zusammenhang mit einer Schwangerschaft.

Neue Chancen durch 5G

Eine wesentliche Rolle bei der Digitalisierung im Gesundheitswesen spielt der neue Mobilfunkstandard 5G. Durch die Echtzeitfähigkeit von 5G und den damit verbundenen minimalen Antwortzeiten werden beispielsweise Videosprechstunden und Behandlungen aus der Ferne möglich. In Finnland wird bereits mit ambulanter Reha nach Schlaganfällen experimentiert.

Ein weiteres Anwendungsfeld in der Medizin, das durch 5G überhaupt erst denkbar wird, ist die Telechirurgie. Schätzungsweise werden weltweit 143 Millionen Operationen pro Jahr, aufgrund ungenügend erfahrenen Operateuren, nicht durchgeführt. Beim Pilotprojekt „Remote Surgeon“ von Vodafone führt ein spezialisierter Chirurg, ohne physisch anwesend zu sein, in Echtzeit einen anderen Chirurgen, der in jedem Operationssaal der Welt operieren kann.

Ohne Cybersecurity keine Telehealth

„Neue telemedizinische Anwendungen bringen den Patienten erhebliche Erleichterungen. Es gibt jedoch Bedrohungen durch mögliche Cyberattacken, die nicht nur den Datenschutz betreffen, wie dies am Beispiel der ferngesteuerten Infusionspumpen veranschaulicht werden kann“, warnt Carlos Moreira, Gründer und CEO von WISeKey. Sein Unternehmen entwickelt Bausteine für eine starke Cybersecurity im Gesundheitswesen.

Cybersecurity beginnt bereits beim mHealth-Gerät. Ist es mit einem Secure Element ausgerüstet, sind die Daten bereits an der Quelle geschützt und können über eine Wireless-Verbindung verschlüsselt und digital signiert an ein Gateway übertragen werden. Auch das Gateway ist mit einem Secure Element ausgestattet und ermöglich so eine sichere Übertragung der Daten über das 5G-Netz zum Server. Hier werden die medizinischen Daten verschlüsselt gespeichert. Müssen die Daten immer verfügbar sein, kann die Blockchain-Technologie für eine hohe Sicherheit sorgen. Doch der erste und der letzte Schutzwall ist immer der Arzt, der am besten erkennen kann, wenn etwas nicht stimmt.

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Die Versorgung der immer weiter wachsenden Weltbevölkerung mit Lebensmitteln ist eine der großen Herausforderungen der Zukunft. Schon heute nehmen die Treibhausgasemissionen aus der Landwirtschaft kontinuierlich zu. Aktuell stammen laut McKinsey mehr als ein Fünftel aller Emissionen weltweit aus dem Agrar-Sektor.

Gleichzeitig werden fruchtbare Anbauflächen knapp. Heute stehen rund 2.200 Quadratmeter Ackerfläche pro Kopf zur Verfügung. Laut Prognosen der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen (FAO) werden es in 2050 voraussichtlich nur noch 1.700 Quadratmeter sein. Überdüngung und Pestizide gefährden zudem die Nachhaltigkeit der Nahrungsmittelversorgung.

Doch mit modernen Technologien kann die Effizienz der Landwirtschaft gesteigert und gleichzeitig der Ressourcenverbrauch und Emissionen reduziert werden. Vor allem die Entwicklungen in der landwirtschaftlichen Robotik, der industriellen Bildverarbeitung und der Künstlichen Intelligenz werden zu einer tiefgreifenden und weitreichenden Veränderung in der Landwirtschaft führen.

Präzisionsroboter auf dem Feld

Autonome Ultrapräzisionsroboter wie der Roboter „Tom“ der Small Robot Company sind fahrerlos und autonom auf den Feldern unterwegs. Sie lockern Böden auf und beseitigen Unkraut. Da diese Roboter relativ kostengünstig, klein und leicht sind, können ganze Schwärme von ihnen zukünftig schweres Ackergerät ersetzen. Und somit den Boden schonen.

„Tom“ bearbeitet rund 20 Hektar pro Tag autonom und sammelt dabei etwa sechs Terabyte an Daten. Er kann Pflanzendetails in Submillimeter-Auflösung unterscheiden, mit einer Auflösung von weniger als einem Millimeter pro Pixel am Boden. Das ermöglicht eine pflanzenspezifische Bearbeitung. Einzelne Nutzpflanzen lassen sich so gezielt mit dem von ihnen benötigten Dünger versorgen oder Unkraut kann Pflanze für Pflanze gejätet werden. Das reduziert den Verbrauch von Agrochemikalien im Vergleich zur ungezielten Ausbringung um 90 Prozent. Dieser Per-Plant-Anbau existiert bis dato zwar nur in kleinem Maßstab in Forschungsinstituten und in Versuchsbetrieben. Hier konnten jedoch unter anderem Ertragssteigerungen von 235 Prozent im Vergleich zu konventionell angebautem Weizen erzielt werden.

Die industrielle Bildverarbeitungstechnologie ist häufig eine Kernkompetenz dieser Roboter. Komplexe Systeme identifizieren und lokalisieren Nutzpflanzen beziehungsweise Unkräuter und ermöglichen so intelligente, auf jede einzelne Pflanze abgestimmte Maßnahmen. Dazu verwenden die Bildverarbeitungssysteme zunehmend Deep-Learning-Algorithmen. Die Leistung dieser Algorithmen steigt kontinuierlich, die Präzision erreicht bereits heute eine Trefferquote von 86,5 Prozent.

Die KI-unterstützte Bildverarbeitungstechnologie ist inzwischen so fortgeschritten, dass sie Früchte vor komplexen Hintergründen mit hohen Erfolgsquoten identifizieren und lokalisieren kann. Somit können Roboter auch zum Ernten von Orangen und Äpfeln eingesetzt werden. Hierbei stellen allerdings die Pflückstrategie und die Bewegungssteuerung des Roboterarms noch eine Herausforderung dar. Neuartige Endeffektoren verringern aber inzwischen die Rechenlast und beschleunigen gleichzeitig das schonende Pflücken frischer Früchte. Noch allerdings ist der Mensch schneller. Während er zum Beispiel eine Erdbeere in zwei bis drei Sekunden pflückt, benötigen aktuelle Roboter acht bis zehn. Doch sie können das kompensieren, indem man sie mit mehreren Armen ausrüstet.

Vertical Farming im Trend

Doch Landwirtschaft wird in Zukunft nicht mehr nur klassisch auf dem Acker stattfinden, sondern auch Indoor. Direkt in den Städten, wo die Lebensmittel verbraucht werden. Vertical Farming ist hier das Schlagwort. Darunter versteht man den Anbau von Pflanzen in Innenräumen unter vollständig kontrollierten Umweltbedingungen. Die Beete sind dabei übereinander angeordnet und die Pflanzen wachsen unter künstlicher LED-Beleuchtung und auf einem speziellen Substrat ohne Erde. Durch fortschrittliche Beleuchtungs- und Automatisierungstechnik lassen sich die Anbaubedingungen genau auf die Bedürfnisse der Pflanzen abstimmen. So kann die vertikale Landwirtschaft an 365 Tagen im Jahr und ohne den Einsatz von Pestiziden hundertmal höhere Erträge erzielen als die konventionelle Landwirtschaft. Zudem hat Vertical Farming das Potenzial, durch die Produktion am Ort des Konsums die Lebensmittel-Transportwege zu minimieren. Denn heute legen Obst und Gemüse oft Tausende von Kilometern zurück, um die Verbraucher zu erreichen.

Schon heute kann jeder Vertical Farming im Kleinen sehen. Der deutsche Discounter Aldi züchtet seit diesem Jahr verschiedene Kräuter direkt in seinen Filialen. Dazu kooperiert das Unternehmen mit der Firma Infarm aus Berlin. Der vertikale und hocheffiziente Anbau der Kleingärten macht möglich, dass sich die Kräuter ganzjährig anpflanzen und ernten lassen. Jede Pflanze erhält in der kontrollierten Anbau-Umgebung exakt das Licht, das Wasser und die Nährstoffe, die sie zum Wachsen benötigt.

Alle Farmen von Infarm sind mit einer zentralen, cloud-basierten Plattform verbunden. Die Plattform lernt ständig dazu und passt sich während der dreiwöchigen Wachstumsphase auf die Bedürfnisse der Kräuter an. Die Aufzucht direkt in den Filialen bedeutet 90 Prozent weniger Transportwege und 95 Prozent weniger Wasser vergleichsweise zur herkömmlichen Produktion. Auf den Einsatz von chemischen Pestiziden verzichtet Infarm komplett.

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Laut den Marktforschern von IDTechEx wird es bis 2030 weltweit über 100 Millionen Plug-in-Elektrofahrzeuge auf den Straßen geben. Kontinuierliche Weiterentwicklungen vor allem in der Batterietechnologie versprechen immer höhere Reichweiten. Mit der wachsenden Population von Elektrofahrzeugen wächst auch die Nachfrage nach Ladestationen. Die vor einigen Jahren eingesetzten 50 Kilowatt Gleichstrom-Schnellladegeräte gelten inzwischen als langsam. High Power Charging Anlagen mit 350 Kilowatt Leistung erlauben bereits heute, den Akku innerhalb von Minuten auf 80 Prozent zu laden.

Was ist Mikromobilität?

Mit der Elektrifizierungswelle ist auch eine große Bandbreite an Unternehmen auf den Markt gekommen, die sogenannte Mikromobile entwickeln. Das können zum Beispiel E-Bikes, E-Tretroller oder völlig neue Formen wie E-Floater sein.

Was ist also Mikromobilität? Mikromobile sollen die Lücke zwischen dem öffentlichen Verkehr, Auto-, Fahrrad- und Fußverkehr schließen. Bis 2030 lassen sich laut McKinsey mit Mikromobilen in Europa bis zu 150 Milliarden Dollar umsetzen, weltweit sogar bis zu 500 Milliarden Dollar. „Mehr als ein Viertel der Weltbevölkerung lebt in Städten mit mehr als einer Million Einwohnern“, sagt Florian Weig, Seniorpartner aus dem Münchener Büro von McKinsey und Mitautor der Studie. Doch die durchschnittliche Geschwindigkeit, mit denen man sich in diesen Städten fortbewegt, ist nicht höher als 15 Kilometer pro Stunde. „Mikromobilität kann hier eine Lösung sein – allerdings nicht immer und überall“, so Weig.

Auch ohne Fahrer sicher unterwegs

Ein anderer großer Mobilitätstrend ist das Automatisierte Fahren. In Zukunft sorgt die Vernetzung intelligenter Technologien dafür, dass die Fahraufgabe auf immer mehr Strecken von der Fahrzeugelektronik übernommen wird. Vernetzung, speziell entwickelte Algorithmen, fortschrittliche Sensorik und künstliche Intelligenz ebnen dabei den Weg zum vollautomatisierten Fahren. Dabei werden nicht nur die Fahrzeuge selbst immer intelligenter, sondern auch die Infrastruktur wie Ampeln, Straßenleuchten oder Kreuzungen. An Straßenlampen verbaute Video- und Lidar-Sensoren liefern zum Beispiel den Fahrzeugen über Mobilfunktechnologie in Echtzeit wichtige Informationen. Diese dienen dazu wichtige Hindernisse wie andere Autos, Fahrräder oder Fußgänger schnell und sicher zu erkennen.

Autonome Verkehrsmittel sind längst keine Utopie mehr. S-Bahnen zum Beispiel sind schon in vielen Städten auf der Welt ohne Fahrer unterwegs. Und auch bei fahrerlosen Straßenfahrzeugen hat die Zukunft bereits begonnen. So wird es beispielsweise 2022 in der Hauptstadt des Emirats Qatar nachhaltig angetriebene und kommerziell eingesetzte Shuttles und Buslinien geben. Dabei werden alle autonom gesteuert sein. 35 vollautomatisierte „ID. Buzz AD-Elektroshuttles“ von Volkswagen Nutzfahrzeuge werden bis zu vier Fahrgäste befördern. Zudem werden zehn Hightech-Busse von Scania größere Gruppen aufnehmen.

Mansoor Al-Mahmoud, CEO der Qatar Investment Authority (QIA): „Wir brauchen eine neue Welle von Innovation, damit unsere Städte vorankommen. KI-fähige und emissionsfreie Transporttechnologien werden dem Fortschritt in der urbanen Mobilität dienlich sein. Und gleichzeitig für eine Abnahme von Staus und die Verbesserung der Energieeffizienz sorgen.“

Neue Impulse, neue Konzepte

Autonome, fahrerlose und elektrische Fahrzeugkonzepte ermöglichen eine ganz neue Art der Mobilität sowie die bessere Verbindung verschiedener Mobilitätslösungen und Verkehrsträger. So zum Beispiel „Snap“ der Schweizer Ideenschmiede Rinspeed: Dabei handelt es sich um modulare Fahrzeuge, bei denen die alterungsanfällige Hard- und Software in Fahrplattformen („Skateboards“) untergebracht ist, die wiederum mit unterschiedlichen Transporteinheiten („Pods“) verbunden werden können. So lassen sich die teuren vollautomatisierten Fahrzeuge optimal auslasten und – je nach Tageszeit und aktuellen Bedürfnissen – die unterschiedlichen Transportanforderungen für Mensch und Gut erfüllen. „Die urbane Mobilität braucht weitergehende Impulse und Modelle als inkrementelle Schritte, um die anstehenden Mobilitätsprobleme möglichst nachhaltig in Angriff zu nehmen. Wobei nachhaltig auf zwei Ebenen zu verstehen ist: umweltschonend und effizient“, sagt Rinspeed-Chef Frank M. Rinderknecht.

Statt Mikromobilität, Mobilitätskonzepte im Luftraum

Andere Mobilitätskonzepte wollen den Luftraum oberhalb des Straßenniveaus nutzen, um die überfüllten Straßen zu entlasten. Noch in einem frühen Stadium, könnten laut Roland Berger bis 2050 weltweit fast 100.000 Passagier-Drohnen im Einsatz sein. Schon heute erheben sich erste Flugtaxis in der Luft – auch wenn es sich noch um Prototypen handelt. Wie zum Beispiel den Lilium Jet: Angetrieben von 36 vollelektrischen Jetmotoren erzeugt das fünfsitzige Flugzeug keine Betriebsemissionen und ruft im Horizontalfug aufgrund des zusätzlichen Auftriebs durch seine zwei Tragflächenpaare weniger als 10 Prozent seiner maximalen Leistung von 2.000 PS ab. Lilium erwartet, dass der kommerzielle Betrieb 2025 aufgenommen wird. Daniel Wiegand, Co-Founder und CEO von Lilium: „Wir sind überzeugt, dass die regionale Luftmobilität einen positiven Beitrag für die Gesellschaft leisten kann, indem wir alle Städte von klein bis groß in einem Radius von 300 Kilometern vollelektrisch und mit Hochgeschwindigkeit verbinden.“

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Der globale Energiebedarf wird bis 2040 um rund ein Drittel steigen. Das ist das Ergebnis des „Energy Outlook 2019“ des Energiekonzerns BP. Dennoch ist sich Bernard Looney, BP-CEO, sicher: „Klimaneutralität kann bis 2050 erreicht werden. Die entsprechenden CO2-freien Energien und Technologien gibt es schon heute. Aber die Herausforderung besteht darin, sie möglichst schnell und umfänglich zu nutzen. Ich bleibe optimistisch, dass wir dies erreichen können.“

Was ist Energy Harvesting?

Energy Harvesting bezeichnet die Nutzung von Energie, die in der Umgebung ohnehin vorhanden ist. Wie zum Beispiel Körper- und Wasserbewegungen, Luftströmungen oder Temperaturunterschiede. „Energy-Harvesting-Lösungen bilden die Basis zur Versorgung einer Vielzahl von batterielosen IoT-Applikationen. Diese erleichtern uns im Rahmen der digitalen Transformation in Zukunft unser Leben“, ist sich Dieter Bauernfeind von Elec-Con technology sicher. Das Unternehmen ist an einem Projekt beteiligt, dass für Logistik-Anwendungen ein Energy-Harvesting-Netzteil entwickelt. Das Netzteil generiert Strom aus verschiedenen Bewegungen. Damit können zum Beispiel Sensoren gespeist werden, die die erfassten Daten dann per Funk weitergeben.

Energy-Harvesting-Lösungen können aber nicht nur IoT-Geräte mit Energie versorgen, sondern auch im großen Rahmen Strom produzieren. Davon ist zumindest Professor Dr. Zhong Lin Wang vom US-amerikanischen Georgia Institute of Technology überzeugt. Er hat Nanogeneratoren entwickelt, die aus geringen mechanischen Bewegungen kostengünstig Strom erzeugen. Diese triboelektrischen Nanogeneratoren funktionieren über zwei Materialschichten, die immer wieder miteinander verbunden und voneinander getrennt werden. Dabei bauen sich elektrische Ladungen auf, die zur Stromerzeugung genutzt werden können. Wang kann sich vorstellen, damit auch die Meere als Quelle von erneuerbaren Energien zu nutzen: „Ein Netzwerk aus Nanogeneratoren, das die Wellenbewegungen in elektrische Energie umwandelt, könnte einen nennenswerten Beitrag zur Stromversorgung leisten“, meint er.

Steigende Wirkungsgrade in der Photovoltaik

Noch dominieren bei den erneuerbaren Energien allerdings „Klassiker“ wie Wind- oder Sonnenenergie. Eine Vorreiterrolle nimmt dabei die Nutzung des Sonnenlichts durch Photovoltaik-Solarmodule ein. Hierbei besitzt die kristalline Silizium-Technologie einen Anteil von circa 95 Prozent am Photovoltaik-Weltmarkt. Deren Zellwirkungsgrade liegen heute bei bis zu 22 Prozent. Mit neuen Materialien soll der Wirkungsgrad weiter verbessert werden.

Metallorganischen Perowskiten, eine neue Halbleiterklasse, bewirkten beispielsweise einen Wirkungsgrad von 24,3 Prozent. Zudem versprechen sie eine deutlich günstigere und einfachere Herstellung. Daraus gefertigte Zellen können auch bei der direkten solaren Wasserspaltung zur Gewinnung von Wasserstoff eingesetzt werden.

Hoffnungsträger Wasserstoff

Denn Wasserstoff soll zukünftig die fossilen Brennstoffe großflächig ersetzen. Einsatzgebiete liegen sowohl im industriellen Sektor, als auch im Bereich der Stromveredelung und -speicherung in Verbindung mit Wind- und Solarparks.

Wie das aussehen kann, zeigt unter anderem das Projekt eFarm, das größte Wasserstoff-Mobilitätsprojekt seiner Art in Deutschland. Fünf Elektrolyseure der Firma H-Tec Systems mit jeweils 225 Kilowatt elektrischer Leistung wandeln Strom aus regionalen Bürgerwindparks in Wasserstoff um. Dieser wird an zwei Tankstellen dem öffentlichen Nahverkehr und auch dem Individualverkehr bereitgestellt. Die Abwärme aus dem Elektrolyse-Prozess fließt in die regionale Wärmeversorgung. Diese ganzheitliche Nutzung des Umwandlungsvorgangs ermöglicht einen optimalen Wirkungsgrad von bis zu 95 Prozent.

„Die Nutzung von alternativen Kraftstoffen wie Wasserstoff gewinnt zunehmend an Bedeutung“, so Deutz-CEO Dr. Frank Hiller. Deutz arbeitet mit dem Münchner Unternehmen Keyou zusammen, um CO₂-freie Wasserstoffmotoren für den Off- und On-Roadbereich sowie die Energieerzeugung zu bauen. Keyou entwickelt auf Basis von konventionellen Diesel- oder Gasmotoren emissionsfreie Wasserstoffmotoren. Unter anderem mit speziell auf Wasserstoff angepassten Komponenten wie Zündanlage oder Motorsteuergerät.

Die Technologie ist deutlich kostengünstiger als bei Elektro- und Brennstoffzellenfahrzeugen. Zudem kommen Wasserstoffmotoren ohne seltene Rohstoffe aus. Thomas Korn, CEO und Mitgründer von Keyou: „Die Nachfrage von Herstellerseite an dem Thema Wasserstoffmotor ist enorm groß. Selbst aus dem Schienensektor oder dem maritimen Bereich erreichen uns zahlreiche Anfragen.“

Der Sonne nachempfunden

Wasserstoff spielt auch bei einer Technologie eine wesentliche Rolle, die die größte Revolution in der Energieversorgung verspricht: Kernfusion. Eine Weltbevölkerung von bald zehn Milliarden Menschen braucht kontinuierlich gewaltige Mengen Energie. Eine solche Menge können fluktuierende Wind- und Solarkraft samt ihrer Speichertechnologien nicht allein bereitstellen können. Bei der Kernfusion werden bei über 100 Millionen Grad Celsius Wasserstoff-Atome zu Helium verschmolzen. Die dabei entstehende Energie kann zur Stromerzeugung genutzt werden. Die Machbarkeit soll mit 500 Megawatt Fusionsleistung der internationale Experimentalreaktor ITER zeigen, der zurzeit in weltweiter Zusammenarbeit in Cadarache in Frankreich entsteht.

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Die Erfolgsgeschichte der LEDs nahm in den 1960er Jahren richtig Fahrt auf. Und zwar als die Lichtausbeute der Leuchtdioden um mehr als drei Größenordnungen von unter einem Lumen pro Watt auf über 100 Lumen stieg. Zunächst gab es nur LEDs, die rotes und gelbes Licht lieferten. Durch die Verwendung neuer Halbleitermaterialien hat sich das Lichtspektrum immer mehr erweitert. Erst kamen grüne LEDs, dann ultraviolette. Ab den 1990ern wurden dann Leuchtdioden entwickelt, die Licht im kurzwelligen, blauen Bereich effizient erzeugten. Heute stehen LEDs in nahezu alle Farben des Spektrums zur Verfügung. Dabei ist ihre Leuchtkraft seit den Anfängen der LED-Technologie rasant gestiegen.

Vom Garagentoröffner bis zur Fahrerüberwachung

Alleine die Einsatzbreite von Infrarot-LEDs (IR-LED) ist beeindruckend. Sie werden schon lange für Fernbedienungen in der Unterhaltungselektronik oder als Garagentoröffner, bei Lichtschranken oder Bewegungsmeldern genutzt. In Überwachungskameras erlauben sie nachts gestochen scharfe Bilder, ohne dass das von ihnen ausgesandte Licht vom menschlichen Auge entdeckt werden kann. Infrarote Leuchtdioden helfen zudem, den gefährlichen Sekundenschlaf bei Kraftfahrern rechtzeitig zu erkennen. Weitere Einsatzbereiche von solchen Hochleistungs-IR-LED im Fahrzeug sind beispielsweise Sitzbelegungserkennung, Nachtsichtsysteme und die Nahbereichserkennung. Auch bei der Kommunikation kommen IR-LEDs zum Einsatz. Über das Infrarotlicht lassen sich auf kurzen Distanzen bis zu 12,5 Gbit/s und bis zu 1 Gbit/s bei einer Entfernung von bis zu 30 Metern übertragen.

Keime mit Licht zerstören

Auch auf der „anderen Seite“ des sichtbaren Spektrums, im ultravioletten Bereich, finden sich zahlreiche Anwendungen für LEDs. Im Vergleich zu herkömmlichen UV-Lichtquellen sind UV-LEDs flexibel im Design, verbrauchen wenig Energie und punkten mit niedrigen Herstellungskosten. UVA-LEDs emittieren Licht mit einer Wellenlänge von 315 bis 400 Nanometern. Einsatzbereiche sind zum Beispiel die Aushärtung von Farben, Beschichtungen, Lacken und Klebstoffen.

UVB-LEDs, produzieren Licht im Wellenlängenbereich von 280 bis 315 Nanometer. Solche LEDs werden zur dermatologischen Behandlung verwendet oder tragen zur besseren Entwicklung von Pflanzen und zur Steigerung von Ernteerträgen bei.

Aktuell besonders diskutiert wird der Einsatz von UVC-LEDs. Diese wirken mit einer sehr kurzwelligen und energiereichen Strahlung im Wellenlängenbereich von 100 bis 280 Nanometern. Sie sind stark bakterizid und können die DNA von Mikroorganismen zerstören. Bereits auf dem Markt sind Lösungen, die mit Hilfe von UVC-LEDs Smartphones von Viren und Keimen befreien. Doch inzwischen sind die LEDs so leistungsstark, dass sich mit ihnen auch ganze Räume quasi per Knopfdruck desinfizieren lassen.

Zum Beispiel bringt im Herbst 2020 die Firma Binz den weltweit ersten Rettungswagen mit Licht-Desinfektionslösung auf den Markt. Die UVC-LEDs sind dabei direkt in den modularen Lichtbaukasten in der Decke des Fahrzeugs integriert. Damit ist es möglich, den gesamten Kabinenbereich des Rettungswagens innerhalb von nur zehn Minuten hocheffizient zu desinfizieren. Dabei werden nicht nur die Oberflächen, sondern auch die Luft im Innenraum des Rettungsfahrzeugs wird desinfiziert.

Laser-Scheinwerfer

Mit zunehmender Leistung fanden LEDs auch immer mehr Einsatz in lichtstarken Anwendungen, wie zum Beispiel Autoscheinwerfern. Hier bietet die Technologie völlig neue Möglichkeiten, indem der Lichtkegel von einer ganzen Matrix von LEDs erzeugt wird. Jede LED ist dabei einzeln ansteuerbar. Die Ansteuerung der LEDs erfolgt auf Basis der Daten der Frontkamera. Sobald sie andere Fahrzeuge oder Verkehrsteilnehmer erkennt, schaltet das Steuergerät einzelne LEDs ab oder reduziert ihre Helligkeit. Dies vermeidet eine Blendung anderer Verkehrsteilnehmer. In allen anderen Bereichen steht dabei gleichzeitig volles Fernlicht zur Verfügung, was die Sicht auf die Straße verbessert. Die neueste Entwicklung ist hierbei, die LEDs durch Laserdioden zu ersetzen.

So hat Audi zum Beispiel einen Scheinwerfer mit blauen Leuchtdioden entwickelt. Dabei strahlen die Laserdioden mit einer Wellenlänge von 450 Nanometern auf einen drei Millimeter großen, beweglichen Spiegel. Dieser basiert auf einer Silizium-Technologie. Anschließend lenkt der Spiegel den Laserstrahl auf einen Konverter, der ihn in weißes Licht umwandelt und auf die Straße projiziert. So kann das Licht gezielt verteilt werden. Und durch die Steuerung der Aufenthaltszeiten in bestimmten Ausleuchtbereichen, ist die Helligkeit variabel. Zudem können die Laserdioden in Abhängigkeit der Spiegelposition intelligent und blitzschnell ein- und ausgeschaltet werden. Dadurch wird die Ausleuchtung oder Abschattung dynamisch und hochvariabel. So ist die Straße immer hell beleuchtet, ohne dass andere Verkehrsteilnehmer geblendet werden. Es gibt jedoch einen entscheidenden Unterschied. Die Technologie hat eine noch feinere dynamische Auflösung und damit einen noch höheren Nutzungsgrad, was zu mehr Sicherheit im Straßenverkehr führt.

Der Trend zur Mikro-LED

Neben weiter steigender Leistung und immer mehr zur Verfügung stehenden Wellenlängen ist die Miniaturisierung der dritte herausragende Trend in der LED-Technologie. Besonders die Hersteller von Unterhaltungselektronik wünschen sich eine neue Art von LEDs. Solche sollen nicht nur zur Hintergrundbeleuchtung, sondern auch zur direkten Darstellung von Inhalten in natürlichen Farben verwendet werden können. Denn bisher konnten LEDs nur als weiße Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden.

Um Farben direkt darzustellen, müssen aber drei LEDs (in Rot, Grün und Blau) zu einem Pixel eines Farbdisplays gruppiert werden. Bis vor kurzem waren diese LED-Gruppen aber zu groß für den Einsatz in Displays. Heute aber ermöglichen neue Produktionsverfahren die Herstellung mikroskopisch kleiner LED-Arrays, die auf einer Größe von wenigen Mikrometern die benötigten Farben kombinieren. Diese Mikro-LEDs haben eine Kantenlänge von unter 100 Mikrometern. Anzeigen basierend auf direktemittierenden Mikro-LED-Pixeln gelten als eine disruptive Entwicklung im Visualisierungsmarkt und könnten herkömmliche LCD- oder OLED-Technologien ablösen.

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In allen aktuellen technologischen, von der Digitalisierung geprägten „Mega-Trends“ spielen Sensorik und Messtechnik eine Schlüsselrolle: „Digitale Innovationen durchdringen nahezu alle Bereiche des Lebens, sie verändern die Arbeit, die Kommunikation und ermöglichen neue Produkte und Services. Allen gemein ist, dass sie auf den Daten basieren, die Sensoren erfassen und auswerten“, sagt Dr. Andreas Schütze, Professor für Messtechnik an der Universität des Saarlandes und Juryvorsitzender des vom deutschen AMA Verband für Sensorik und Messtechnik vergebenen Innovationspreises. Und Innovationen bringt diese Branche immer wieder hervor: Es werden immer wieder neue Firmen gegründet, neue Materialien erforscht und neue Technologien eingesetzt.

Kleiner, digitaler, vielseitiger – Sensorik

Dabei lassen sich grundsätzlich drei Schlüsseltrends identifizieren. Der erste ist die Miniaturisierung. In der zunehmend vernetzten Welt soll nahezu jedes Gerät Informationen zur Umwelt und zur jeweiligen Applikation sammeln. Das erfordert entsprechende Sensoren, die dank ihrer geringen Abmessungen kaum Platz im jeweiligen Gerät einnehmen. Dennoch sollen sie aber eine hohe Leistung bringen. Und das bei möglichst geringem Energiebedarf.

Der zweite Schlüsseltrend ist die Digitalisierung der Sensoren selbst. Zunehmend smarte Sensoren erfassen nicht nur Daten, sondern werten sie auch gleich aus und übertragen nur noch die Ergebnisse an übergeordnete Systeme oder die Cloud.

Der dritte wichtige Trend ist die Sensorfusion: Die smarten Gegenstände des Internets der Dinge erfordern Multi-Sensoren, die gleich mehrere Arten von Messungen in einem möglichst kleinen Gehäuse ausführen können.

Gebündelte Messwerte in der Messtechnik

Für derartige Multisensoren gibt es inzwischen einige Beispiele, wie die Plastosens-Sensoren von Jumo. In Form eines Modulbaukasten wird Sensorik für verschiedene Messgrößen wie etwa Temperatur, Feuchtigkeit, Druck oder Kraft in einem Kunststoffgehäuse verbaut. Mittels Energy-Harvesting versorgen sich die Module selbst mit Energie. Die Sensorsignale werden drahtlos durch eine Bluetooth-Schnittstelle übertragen. Noch einen Schritt weiter gehen Sensoren, die nicht nur Daten erfassen, sondern auch gleich an Ort und Stelle verarbeiten. Insbesondere bei Bildsensoren sind entsprechende System bereits heute im Einsatz. So werden Daten in Hochgeschwindigkeit am Ort des Entstehens verarbeitet und nur die erforderlichen Informationen extrahiert. Dies ermöglicht es, bei der Nutzung von Cloud-Diensten die Latenzen bei der Datenübertragung zu verkürzen, Datenschutzvorgaben Rechnung zu tragen und den Energieverbrauch sowie die Kommunikationskosten zu senken.

Empfindsame Zwerge

Für die Miniaturisierung der Sensoren stehen vor allem MEMS. Sie besitzen Siliziumstrukturen im Inneren, die teilweise um ein Vielfaches dünner als ein menschliches Haar sind. Dadurch können sie mikroskopisch kleine Bewegungen in elektrische Signale umwandeln, sie als Informationen verarbeiten und weitersenden. Das macht sie sozusagen zu Sinnesorganen der technischen Welt. Sie messen Drücke, Beschleunigungen, Drehraten, Feuchtigkeit und vieles mehr.

Laut Bosch wird erwartet, dass künftig hunderte Milliarden MEMS-Bauelemente in den unterschiedlichsten Anwendungen benötigt werden. Dabei geht es neben dem großen Feld des IoT auch um automatisiertes Fahren. Zum Beispiel wenn MEMS-Sensoren das Auto zur Eigenlokalisierung ohne Umfeldsensorik oder GPS, allein basierend auf Beschleunigungs- und Drehrateninformationen, befähigen.

Gerade das automatisierte Fahren benötigt eine Vielzahl an Sensoren. Dabei sind sogenannte Time-of-Flight-Sensoren (ToF) ein wichtiger Baustein. Sie bestimmen die Entfernung zu einem Objekt, indem sie die Laufzeit eines ausgesendeten Lichtimpulses messen. Nach diesem Prinzip arbeiten zum Beispiel LiDAR-Systeme (Light Detection and Ranging). Inzwischen gibt es ToF-Lösungen als kleine, integrierte Module. Mit einem Bauraum von gerade einmal acht Kubikmillimetern passen sie problemlos in ein Smartphone. Hier sorgen sie dafür, dass sich der Autofokus der Smartphone-Kamera präzise auf das zu fotografierende Objekt einstellt. Mit Preisen von unter drei Dollar sind sie aber auch für viele andere Consumer-Anwendungen interessant., zum Beispiel für die schnelle Kollisionserkennung und -vermeidung bei Staubsaugrobotern oder für die Anwesenheitserkennung bei Notebooks.

Spektroskopie im Taschenformat

Neueste Technologien im Bereich optischer Sensoren sind Systeme, die das Spektrum eines ausgesendeten und reflektierten Lichtstrahls messen. Die Durchführung einer derartigen spektrografischen Analyse erforderte bis dato ein eigenes Labor – heute gibt es entsprechende Lösungen, die auf ultra-dünnen Infrarot-Chips mit hoher Detektionsfähigkeit basieren.

Dazu gehören die Kompaktspektrometer der Serien Qmini und Qwave von Broadcom, die modernste optische und elektronische Komponenten kombinieren. Sie ermöglichen leistungsstarke spektroskopische Messungen von ultraviolettem, sichtbarem und nah-infrarotem (NIR) Licht. Die Spektrometer decken einen Bereich zwischen 190 und 1.100 Nanometer ab, und das in einem kleinen Formfaktor. Dabei sind keine internen beweglichen Teile erforderlich, wodurch jede Möglichkeit einer optischen Fehlausrichtung vermieden wird. Dies gewährleistet eine zuverlässige und stabile Langzeitleistung.

Derartige preisgünstige Spektrometer eignen sich perfekt für die Integration in hohvolumige Applikationen und für verschiedene Einsatzgebiete wie Prozesssteuerung und -überwachung, biomedizinische Anwendungen, chemische Forschung, Umweltanalyse, medizinische und pharmazeutische Anwendungen, forensische Analyse, Raman-Spektroskopie und viele andere.

Auch AMS bietet, unterstützt von EBV, spektral integrierte Sensoren, die Inhaltsstoffe und Zusammensetzungen in industriellen Rohstoffen, landwirtschaftlichen Produkten oder Lebensmitteln für die Qualitätssicherung „on the go“ erkennen. Mögliche Anwendungen reichen von der Farbkommissionierung bzw. dem Farbabgleich über die Authentifizierung bis hin zur Farb- und Spektralanalyse von Materialien und Flüssigkeiten. Die hochgradige Integration mit moderner CMOS-Filtertechnologie gewährleistet eine lebenslange Kalibriergenauigkeit und ermöglicht es den Geräteherstellern, Präzision auf Laborniveau auf den Markt zu bringen.

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